La necessità di energia rinnovabile affidabile sta crescendo rapidamente, poiché i paesi di tutto il mondo, inclusa la Svizzera, intensificano i loro sforzi per combattere il cambiamento climatico, trovare alternative ai combustibili fossili e raggiungere gli obiettivi di transizione energetica fissati dai loro governi. Ma l'energia rinnovabile non può essere incorporata in modo efficiente nelle reti elettriche finché non c'è un modo per immagazzinarla su larga scala.
"La maggior parte delle forme di energia rinnovabile dipende dalle condizioni meteorologiche, il che si traduce in grandi fluttuazioni nella potenza che forniscono", afferma Danick Reynard, Ph.D. studente presso il Laboratorio di Elettrochimica Fisica e Analitica (LEPA) dell'EPFL. "Ma le reti elettriche non sono progettate per gestire questo tipo di fluttuazioni". L'idrogeno, poiché può fornire energia in modo coerente indipendentemente dalle condizioni meteorologiche, sta attirando un'attenzione crescente.
Gli scienziati di LEPA hanno lavorato per diversi anni sulla duplice sfida della produzione di idrogeno pulito e dello stoccaggio di energia. Hanno appena presentato un nuovo sistema che combina una batteria a flusso redox convenzionale, attualmente uno dei metodi più promettenti per lo stoccaggio di energia stazionaria su larga scala, con reattori catalitici che producono idrogeno pulito dal fluido che scorre attraverso la batteria. Il sistema LEPA è efficiente quanto quelli convenzionali ma offre una maggiore flessibilità e capacità di accumulo di energia. Produce anche idrogeno pulito a un costo inferiore. La ricerca degli scienziati appare in Cell Report Scienze fisiche.
Le batterie a flusso redox sono le più promettenti per l'accumulo di energia
Le batterie a flusso redox sono costituite da due serbatoi separati da una cella elettrochimica. Due fluidi elettrolitici altamente conduttivi, uno con carica positiva, uno con carica negativa, circolano attraverso i serbatoi e oltre la cella per innescare una reazione chimica in cui vengono scambiati gli elettroni. Queste batterie immagazzinano energia in forma elettrochimica, proprio come le batterie agli ioni di litio utilizzate negli smartphone, ma con una durata molto più lunga e con capacità di generazione e stoccaggio di energia flessibili, il che significa che possono rispondere rapidamente alle fluttuazioni della domanda e dell'offerta di energia.
Per creare il loro sistema, gli scienziati LEPA hanno preso una batteria a flusso redox convenzionale e l'hanno potenziata aggiungendo due reattori catalitici. Questi reattori producono idrogeno dal fluido che circola nei serbatoi. "L'idrogeno viene prodotto attraverso un processo catalitico che utilizza l'energia della batteria per dividere le molecole d'acqua nei loro due componenti, idrogeno e ossigeno", afferma Reynard. "Ma questo idrogeno può essere considerato pulito solo se l'energia utilizzata per caricare le batterie è rinnovabile".
Idrogeno pulito e puro con capacità di stoccaggio ottimizzata e flessibile
LEPA la tecnologia offre numerosi vantaggi sia per la produzione di idrogeno che per lo stoccaggio di energia. Le tradizionali batterie a flusso redox, una volta completamente cariche, non possono più immagazzinare energia. “Tuttavia, nel nostro sistema, una volta che la batteria è completamente carica, può scaricare fluido nei reattori esterni. A loro volta generano idrogeno che può essere immagazzinato e utilizzato in seguito, liberando spazio di stoccaggio nella batteria stessa”, afferma Reynard.
L'idrogeno prodotto dal sistema LEPA è puro e necessita solo di essere essiccato e compresso per uno stoccaggio ottimale. Quel sistema è anche più sicuro di quelli convenzionali, perché genera l'ossigeno e l'idrogeno separatamente anziché simultaneamente, quindi c'è meno rischio di esplosione.
Il futuro delle stazioni di ricarica per veicoli a idrogeno?
La tecnologia di LEPA potrebbe essere particolarmente utile nelle applicazioni di trasporto. Man mano che sempre più conducenti adottano veicoli elettrici, la domanda di elettricità e idrogeno pulito aumenterà. La ricarica di questi veicoli mette sotto pressione le reti elettriche e crea picchi di carico difficili da pianificare per gli operatori di rete. "Secondo i dati del 2020 dell'Ufficio federale dell'energia, il settore dei trasporti rappresenta circa il 33% del consumo energetico in Svizzera", afferma Reynard. "Le nostre batterie, oltre a produrre idrogeno, potrebbero anche fungere da buffer per attenuare i picchi di tale domanda".
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