Le batterie giganti forniscono energia rinnovabile quando è necessaria

L’azienda di batterie a flusso rilancia la ricerca della NASA dopo quasi 50 anni.

L’energia solare è abbondante – quando il sole splende. L’energia eolica è costante – quando soffia il vento. E una rete elettrica è estremamente comoda, finché non si verifica un’interruzione.

Ma creare una fornitura costante di elettricità da fonti di energia intermittenti è una sfida.

Le batterie a flusso ESS consentono una fornitura costante di elettricità da fonti energetiche intermittenti, come l’eolico e il solare. Accumulano fino a 12 ore di energia e la scaricano quando necessario. Possono essere costruiti in container, come quello installato nella foto qui, oppure installazioni più grandi possono essere ospitate in un edificio. Credito immagine: ESS Inc.

La NASA si concentrò su questo problema più di 45 anni fa, quando progettò un nuovo tipo di batteria liquida durante lo shock dei prezzi energetici degli anni ’70.

E mentre gli ingegneri hanno continuato nei decenni successivi a sviluppare batterie a flusso, come vengono chiamate, la tecnologia ha attirato ancora più attenzione negli ultimi anni, con l’urgenza del cambiamento climatico che alimenta una transizione su larga scala verso le energie rinnovabili come il solare e l’eolico.

ESS Inc., con sede a Wilsonville, Oregon, si è basata sui primi lavori della NASA sviluppando le proprie batterie a flusso utilizzando solo ferro, sale e acqua.

Non richiedendo l’estrazione o lo smaltimento di metalli pesanti, i sistemi sono tra le soluzioni di stoccaggio dell’energia più sicure disponibili, secondo l’azienda. Senza parti corrosive, forniscono prestazioni come nuove dopo l’uso quotidiano per più di 20 anni e richiedono solo una semplice manutenzione per durare più a lungo. Possono essere facilmente ingranditi secondo necessità.

Il lavoro decennale della NASA sulle batterie a flusso, molte delle quali sono rivolte al pubblico e di facile accesso, ha fornito al team ESS modi creativi per esaminare i problemi comuni con la tecnologia, ha affermato Craig Evans, fondatore e presidente dell’azienda.

“Si torna sempre alla ricerca”, ha detto. “Se non devi reinventare la ruota, puoi sicuramente fare le cose più velocemente.”

Nello sviluppo della sua batteria a flusso, ESS si è ispirata alla ricerca e allo sviluppo innovativi condotti dall’agenzia spaziale più di 40 anni fa. Nella foto qui, un’unità dimostrativa da 200 watt della batteria a flusso costruita dalla NASA negli anni ’70 e ’80. Credito immagine: NASA

Tecnologia della batteria a flusso

Probabilmente è giusto dire che tutte le batterie a flusso oggi devono qualcosa al grande impulso ottenuto dalla tecnologia negli anni ’70 e ’80, quando un team della NASA di ingegneri chimici, elettrici e meccanici sviluppò una batteria a flusso ferro-cromo (Spin off 1985, 2008) al Lewis Research Center – ora Glenn Research Center – a Cleveland.

Il sistema della NASA, che ha vinto premi dell’agenzia, prevedeva due serbatoi di soluzioni elettrolitiche liquide, una infusa con cloruro di ferro e l’altra con cloruro di cromo. Questi elettroliti venivano pompati attraverso la cella della batteria, innescando una reazione chimica attraverso una membrana che separava le due soluzioni all’interno della batteria.

Durante la carica, l’energia elettrica veniva convertita in energia chimica e immagazzinata nel liquido elettrolitico. Per scaricare l’energia, il processo è stato invertito.

Quando il team ESS ha iniziato a sviluppare la propria batteria a flusso nel 2011, i fondatori dell’azienda volevano utilizzare il ferro, l’elemento più abbondante sulla Terra, come aveva fatto la NASA. Hanno scoperto che potevano accoppiarlo con una semplice soluzione salina, che era più economica da ottenere e più facile da lavorare rispetto alla miscela di cromo utilizzata dalla NASA.

Pannelli solari – foto illustrativa. Credito immagine: Jeroen van de Water tramite Unsplash, licenza gratuita

Batterie Giant Flow: una manna per le aziende

Le batterie a flusso ESS sono progettate per reti sempre più alimentate da energia eolica e solare intermittente. I sistemi dell’azienda immagazzinano fino a 12 ore di energia e la scaricano quando necessario. Sono stati implementati, ad esempio, da San Diego Gas & Electric in una microrete progettata per fornire energia di backup a strutture critiche della comunità, alimentata da un pannello solare in loco.

Ulteriori utility e sviluppatori, tra cui Portland General Electric ed Enel Green Power, prevedono di installare anche sistemi ESS.

Lavorano anche in aziende e fabbriche indipendenti – ad esempio Sycamore International, una struttura commerciale in Pennsylvania – dove aiutano a livellare l’energia catturata dai pannelli solari sul tetto, ad esempio. Ciò consente alle fabbriche di immagazzinare l’energia generata dai pannelli durante le ore di punta del sole e di utilizzarla durante il giorno.

Tali installazioni possono anche funzionare come alternativa, ad esempio, a un generatore diesel di riserva che mantiene un edificio in funzione durante interruzioni di corrente o eventi di interruzione di sicurezza dell’energia elettrica, che sono sempre più comuni sulla costa occidentale durante la stagione degli incendi.

I generatori diesel emettono sostanze inquinanti nocive e costituiscono essi stessi un pericolo di incendio. Un’altra tecnologia, le batterie agli ioni di litio, comunemente utilizzate nell’elettronica, possono essere adattate a installazioni di dimensioni di rete o microrete, ma presentano rischi di incendio, non sono opzioni praticabili per durate di conservazione superiori a poche ore e richiedono litio, il che è problematico dal punto di vista ambientale.

“La possibilità di installare una tecnologia come la nostra, che è ininfiammabile e pulita dalla culla alla tomba: è un enorme vantaggio per le aziende che desiderano rimanere operative durante un’interruzione”, ha affermato Evans.

ESS si è quotata in borsa alla fine del 2021 e, nel 2022, ha annunciato che si sarebbe espansa in Europa, con i suoi due prodotti a batteria: l’Energy Warehouse, un sistema di batterie chiavi in ​​mano costruito all’interno di un container, e l’Energy Center, un più grande sistema di servizi di pubblica utilità. scala “batteria in un edificio”.

La società prevede di spedire tra i 40 e i 50 sistemi nel 2022 e ha affermato di avere ulteriori ordini oltre a questo.

Lezioni dal passato

Per aumentare la quantità di energia che può essere immagazzinata in una batteria a flusso liquido, è sufficiente aggiungere più soluzione elettrolitica: un vantaggio di questa tecnologia. Per aumentare la potenza è possibile impilare ulteriori celle della batteria attraverso le quali viene pompato l’elettrolito.

Ma mentre l’elettrolito viaggia attraverso il sistema, perde energia tra ciascuna cella della batteria, un’inefficienza chiamata perdite di shunt. La NASA ha lavorato per mitigare le perdite di shunt nel suo sistema di batterie a flusso e ha pubblicato una ricerca sulla questione nel 1982. ESS ha attinto da quel lavoro per rendere il proprio sistema più efficiente.

“La ricerca della NASA sulle perdite da shunt ci ha dato alcune buone idee e buoni modi per modellare le cose”, ha detto Evans.

Traendo ricerche dal sito Web e dalle biblioteche dell’agenzia, ESS ha anche fatto riferimento alle linee guida della NASA sulla gestione dell’idrogeno (che risulta da una reazione collaterale nel sistema ESS e quindi viene reincorporato nuovamente nel sistema) nonché alla ricerca sulla membrana che separa le miscele elettrolitiche .

Thomas Miller, un ingegnere ricercatore della Glenn che lavorò al progetto della batteria a flusso come studente universitario alla fine degli anni ’70, ricordò che tutto l’hardware del sistema era costruito su misura, sviluppato attraverso tentativi ed errori.

Dopo il progetto della batteria a flusso, finanziato dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, Miller ha affermato che parte della conoscenza acquisita è andata avanti per informare il lavoro della NASA sulle celle a combustibile rigenerative e altre tecnologie.

Mai destinate allo spazio, le batterie a flusso sono più adatte esattamente al tipo di applicazioni terrestri che ESS sta perseguendo, ha affermato Miller.

“La NASA è finanziata dai contribuenti, quindi faremo la ricerca e poi la consegneremo all’industria per prenderla da lì”, ha detto Miller. “Questa è una buona applicazione della nostra ricerca di base”.

Fonte: NASA