Accumulo di energia elettrica: i diversi metodi

Accumulo di energia elettrica: le batterie agli ioni di litio e le loro alternative

Commercializzate dall'inizio degli anni '90, le batterie agli ioni di litio hanno assunto un ruolo predominante nel mercato delle batterie negli ultimi decenni. Questa tecnologia presenta numerosi vantaggi che ne spiegano il successo sia nell'alimentazione dei telefoni cellulari che delle auto elettriche. Queste batterie agli ioni di litio, in particolare grazie alla loro densità energetica in termini di autonomia, consentono di soddisfare le esigenze dell'industria automobilistica.

Le batterie di trazione di un veicolo elettrico devono soddisfare requisiti molto rigorosi: costo, intervallo di temperatura operativo, durata, capacità di ricarica rapida, ecc. Alcuni di questi criteri sono difficili da conciliare, in particolare la densità energetica e la potenza. I team di ricerca e sviluppo si impegnano quindi costantemente per ottimizzare il rapporto autonomia/potenza e migliorare tutte le proprietà delle batterie agli ioni di litio. Nell'ottica della mobilità sostenibile, questa ottimizzazione va di pari passo con la ricerca di processi che riducano l'impatto delle batterie sull'ambiente, in particolare per facilitarne il riciclaggio.

Batterie «a stato solido» per una maggiore efficienza?

Il settore delle batterie si sta orientando verso nuove tecnologie che mirano, in particolare, a sostituire il tradizionale processo a elettrolita liquido utilizzato nelle batterie convenzionali. Pertanto, gli industriali stanno valutando le cosiddette batterie "all-solid-state", che offrono una semplificazione dei materiali utilizzati, una migliore gestione della temperatura di esercizio e la possibilità di aumentare la densità energetica delle celle. Si tratta in particolare della strada esplorata dagli specialisti del "litio-metallo", in cui una superficie solida di litio funge da polo negativo all'interno della batteria.

Si parla anche di batterie ibride, con diversi materiali solidi, o di batterie semisolide come prossima alternativa ai modelli classici. Tuttavia, tutte queste ipotesi sono ancora lontane: la loro commercializzazione nel settore dei veicoli elettrici non dovrebbe avvenire prima di anni, se non addirittura decenni.

L'alleanza Renault-Nissan-Mitsubishi ha quindi investito nella start-up americana Ionic Materials, specializzata nelle cosiddette «batterie a stato solido». L'elettrolita liquido attualmente utilizzato nelle batterie viene qui sostituito da un materiale solido, come ad esempio un polimero. Questa tecnologia, che si prospetta promettente, deve ancora compiere numerosi passi avanti prima di affermarsi come alternativa alle batterie attuali, in particolare per i veicoli elettrici!

Altre soluzioni di stoccaggio elettrochimico

Le batterie a flusso (o «redox flow battery») sfruttano due serbatoi contenenti i reagenti e una membrana conduttrice di ioni. Il loro vantaggio consiste nel separare la componente «energetica» da quella «di potenza». Tuttavia, le densità energetiche sono troppo basse per un'applicazione nel settore automobilistico. Questa tecnologia trova invece impiego nell'accumulo stazionario.

Un'altra opzione: il sodio. Questo elemento, che appartiene alla stessa famiglia del litio – quella degli alcalini – può essere utilizzato in sostituzione di quest'ultimo per ottenere le cosiddette «batterie agli ioni di sodio». Il sodio è un elemento più abbondante del litio e le sue caratteristiche si prestano a prestazioni di potenza più elevate. Questa tecnologia è ancora in fase di maturazione: sebbene il sodio sia già utilizzato nel settore dello stoccaggio stazionario (ad alta temperatura), la sua applicazione su larga scala nelle batterie dei nostri veicoli è attualmente oggetto di studio da parte di alcune start-up che cercano di industrializzare il processo.

La composizione dei diversi elementi di una batteria è destinata a evolversi a seconda della linea di ricerca presa in esame. La tecnologia metallo-aria, ad esempio, consiste nell’utilizzare un elettrodo metallico che si dissolve e si riformula durante i cicli di scarica/ricarica, affiancato da un elettrodo che cattura l’ossigeno dall’aria per farlo intervenire nella reazione, come nel caso di una pila a combustibile. Il litio e lo zinco possono essere utilizzati, ad esempio, come elettrodi. In alcuni casi, la ricarica non avviene elettricamente ma meccanicamente, come nel caso dell'alluminio, che richiede l'inserimento di "cartucce" di questo metallo. Tuttavia, questa soluzione è ancora poco matura rispetto alle importanti esigenze del settore automobilistico.

Infine, le proprietà chimiche dei metalli possono rappresentare un filone di ricerca per lo sviluppo di nuove tecnologie. Ad esempio, in una batteria agli ioni di litio, la produzione di corrente è determinata, tra le altre cose, dal trasporto degli ioni di litio. Ogni ione di litio trasporta una carica. Se un elemento chimico fosse in grado di fornire il doppio di tale carica, la capacità della batteria ne risulterebbe aumentata. Questo è teoricamente il caso di metalli come il calcio o il magnesio, che possiedono questa proprietà (per questo motivo vengono definiti «divalenti»). Poiché questo concetto è oggetto di ricerche condotte principalmente nei laboratori universitari, sono ancora necessari progressi significativi per garantire la durata di altri componenti della cella.

Sistemi di stoccaggio meccanici ad alte prestazioni

Lo stoccaggio di energia sotto forma di elettricità non è l'unica possibilità offerta in questo campo. Anche l'energia meccanica ha un ruolo da svolgere, come dimostra l'uso del pompaggio-turbinaggio. In questo processo, è l'azione di una turbina azionata dal movimento ascendente e discendente dell'acqua in un bacino che serve a immagazzinare e poi a liberare energia, secondo lo stesso principio di una diga idroelettrica. L'elettricità così prodotta è in grado di comprimere l'aria in immense cavità, e l'energia viene immagazzinata in questa forma fino a quando non viene «liberata» dalla decompressione e dall'azione di una turbina.

Oggigiorno si parla addirittura di «batterie di cemento»: blocchi di cemento sospesi rilasciano energia quando vengono «calati» improvvisamente. Sono tutti esempi delle numerose possibilità offerte dallo stoccaggio meccanico, che rimane innanzitutto un’infrastruttura di stoccaggio fissa.

Batterie per città autosufficienti

Dopo alcuni anni e numerosi cicli di ricarica, la capacità delle batterie delle auto elettriche diminuisce. I costruttori come Renault le riutilizzano quindi per lo stoccaggio stazionario di energia elettrica. Si tratta di una tecnologia che consente di alimentare un edificio o un quartiere durante i periodi di interruzione dell’erogazione di energia elettrica e di utilizzare in modo ottimizzato l’energia a basse emissioni fornita dagli impianti solari e eolici.

La posta in gioco è alta, poiché la transizione ecologica richiede sia un adeguamento della produzione – che può avvenire direttamente in città grazie ai pannelli fotovoltaici – sia l’ottimizzazione della rete, su piccola o grande scala, per rendere sempre più zone autosufficienti dal punto di vista energetico. Un vantaggio in termini di sicurezza e continuità dell’approvvigionamento elettrico!

Un'altra possibilità presa in considerazione è il vehicle-to-grid (V2G), sperimentato da Mobilize nei Paesi Bassi, che consiste nel reimmettere l'elettricità a basse emissioni di carbonio di un'auto elettrica direttamente nella rete. La batteria di una Renault ZOÉ, quando è collegata a una stazione di ricarica, viene così utilizzata per l'accumulo di energia. Questa tecnologia innovativa va di pari passo con l'implementazione della ricarica intelligente all'interno degli stessi veicoli. Ciò dimostra che, oltre a riflettere su soluzioni alternative, le aziende stanno ottimizzando gli usi attuali per arrivare a una produzione e una distribuzione di elettricità a basse emissioni.