Batterie a flusso redox (al vanadio)

Per immagazzinare l’energia di un grande parco eolico o solare non basta una batteria più grossa: serve un sistema in cui si possa aumentare la riserva di energia semplicemente usando serbatoi più capienti. È esattamente ciò che fanno le batterie a flusso redox, una tecnologia pensata per l’accumulo su scala di rete.

Vediamo come funziona una batteria in cui l’energia è contenuta in due liquidi, perché questo permette di separare potenza e capacità, e quali vantaggi e limiti ne derivano.

Una batteria fatta di liquidi

In una batteria a flusso l’energia non è immagazzinata negli elettrodi, ma in due soluzioni liquide contenute in serbatoi esterni. Queste soluzioni contengono sostanze capaci di cedere o acquistare elettroni, e vengono pompate attraverso una cella centrale dove avviene la reazione. Caricando la batteria si “ricaricano” chimicamente i liquidi; scaricandola, i liquidi cedono la loro energia mentre attraversano la cella.

Due liquidi separati da una membrana

La cella centrale è divisa in due metà da una membrana che lascia passare solo certi ioni per chiudere il circuito, ma tiene separati i due liquidi perché non si mescolino. Da un lato scorre la soluzione che si ossida, dall’altro quella che si riduce; gli elettroni passano dal circuito esterno, dove compiono lavoro utile, mentre la membrana mantiene l’equilibrio delle cariche lasciando migrare gli ioni.

Potenza e capacità separate

Qui sta la caratteristica unica di questa tecnologia. In una batteria normale energia e potenza sono legate, perché entrambe dipendono dagli stessi elettrodi. In una batteria a flusso, invece, la potenza dipende da quanto è grande la cella (quanta reazione avviene al secondo), mentre la capacità dipende solo dal volume dei serbatoi. Si possono dimensionare le due cose in modo indipendente, scegliendo per esempio una cella piccola e serbatoi enormi per accumulare molta energia da rilasciare lentamente.

energia ∝ volume dei serbatoi   ·   potenza ∝ superficie della cella

La batteria al vanadio

La versione più matura usa il vanadio, un metallo che esiste in quattro diversi stati di ossidazione. Usare lo stesso elemento nei due liquidi ha un vantaggio prezioso: se un po’ di soluzione attraversa la membrana e i due liquidi si contaminano, non si rovinano in modo irreversibile, perché si tratta sempre di vanadio e basta ricaricare per ripristinarli. Questo rende la batteria al vanadio molto longeva, capace di durare moltissimi anni e cicli.

Vantaggi e limiti

Le batterie a flusso hanno pregi che le rendono adatte alla rete: durano a lungo, si scaricano completamente senza danni, sono difficili da incendiare perché usano soluzioni acquose, e la loro capacità è facilmente espandibile. Lo svantaggio è che immagazzinano poca energia per unità di peso e volume: sono ingombranti e pesanti, del tutto inadatte a un’auto o a un telefono. La loro nicchia è l’accumulo fisso di grandi quantità di energia, dove il peso non conta e contano invece durata, sicurezza e costo nel tempo.

Il ruolo nell’energia rinnovabile

Il sole e il vento producono energia in modo discontinuo, e per usarla quando serve occorre immagazzinarla a grande scala per ore o giorni. È proprio il compito per cui le batterie a flusso sono pensate: impianti grandi come container che accumulano l’energia in eccesso del giorno per restituirla la sera, livellando la produzione delle rinnovabili. Insieme ad altre forme di accumulo, sono uno dei mattoni con cui si sta costruendo una rete elettrica capace di funzionare con fonti pulite ma intermittenti, e la ricerca lavora per abbassarne il costo e provare sostanze attive alternative al vanadio.

Sicurezza e gestione

Un vantaggio spesso decisivo delle batterie a flusso è la sicurezza. Poiché usano soluzioni acquose e non materiali infiammabili, sono molto difficili da incendiare, a differenza di alcune batterie al litio che in caso di guasto possono surriscaldarsi pericolosamente. Inoltre, in caso di problema, è sufficiente fermare le pompe per separare i liquidi e interrompere la reazione: il sistema si “spegne” da solo, perché senza circolazione dei liquidi nella cella non avviene quasi nulla. Questa sicurezza intrinseca le rende adatte a grandi impianti vicini a centri abitati. La gestione richiede però attenzione ad alcuni aspetti pratici: le pompe consumano una parte dell’energia, riducendo un poco l’efficienza complessiva; le soluzioni vanno mantenute in equilibrio per evitare che col tempo i due liquidi si sbilancino; e i materiali a contatto con le soluzioni, spesso acide, devono resistere alla corrosione. Tutto questo si traduce in un sistema più complesso di una semplice batteria, con pompe, serbatoi, sensori e tubazioni, che però ripaga in durata e sicurezza quando si tratta di accumulare grandi quantità di energia per molti anni.

Domande frequenti

Che cos’è una batteria a flusso redox?

È un accumulatore in cui l’energia è contenuta in due soluzioni liquide tenute in serbatoi esterni e pompate attraverso una cella dove reagiscono. È pensata per immagazzinare grandi quantità di energia in impianti fissi, come quelli al servizio delle reti elettriche.

Perché separa potenza e capacità?

Perché la potenza dipende dalla cella, cioè da quanta reazione avviene al secondo, mentre la capacità dipende dal volume dei serbatoi di liquido. Ingrandendo i serbatoi si accumula più energia senza toccare la cella: le due grandezze si scelgono in modo indipendente.

Perché si usa il vanadio?

Perché esiste in quattro stati di ossidazione e permette di usare lo stesso elemento in entrambi i liquidi. Così, se i due liquidi si contaminano attraverso la membrana, non si rovinano: basta ricaricare per ripristinarli. Ne deriva una durata molto lunga.

Quali sono i suoi limiti?

Immagazzina poca energia per unità di peso e volume, quindi è ingombrante e pesante: inadatta ad auto o dispositivi portatili. Il suo punto debole è proprio la densità di energia, compensata però da durata, sicurezza ed espandibilità negli impianti fissi.

A cosa serve nell’energia rinnovabile?

Serve ad accumulare l’energia prodotta in eccesso da sole e vento per restituirla quando serve, livellando la loro produzione intermittente. Impianti di grande taglia immagazzinano l’energia del giorno per la sera, aiutando le reti a funzionare con fonti pulite.