Ogni anno in questo momento, il Pacifico nord-occidentale riceve una breve esplosione di energia rinnovabile. Potenti tempeste soffiano il vento attraverso le gole, spingendo schiere di turbine eoliche, e un diluvio di neve sciolta si accumula nelle numerose dighe della regione. Tuttavia, alla fine dell’estate, il tempo si calma. Durante questa stasi, aree come l’Oregon e Washington dipendono sempre più da altre fonti energetiche, spesso più inquinanti, come il gas naturale e il carbone generato dai loro vicini.
La natura non è sempre disponibile quando ne abbiamo bisogno. Questa è una fonte di preoccupazione per la maggior parte delle energie rinnovabili. In Germania chiamano questi periodi di calma degli elementi naturali Dunkelflaute, o “dark doldrums” (calma oscura). Per regioni come Washington, dove l’obiettivo è generare energia pulita al 100% entro il 2045, la posta in gioco è alta. Ci si domanda come compensare questi “vuoti” stagionali di energia.
Certo, la California ha un sacco di sole estivo, e il Midwest ha molto vento, permettendo loro di scambiarsi energia. Ma questo resta, tuttavia, un compito difficile. Per dirne una, non ci sono abbastanza cavi elettrici per collegare questi siti. Inoltre, la California affronta lo stesso obiettivo del 2045 per la produzione di energia a zero emissioni di carbonio, rendendo più difficile la condivisione interregionale.
Tuttavia, ci sarebbe un’altra opzione: risparmiare energia dai venti temporaneamente esuberanti e dallo scioglimento del manto nevoso per utilizzarla durante i periodi di scarsità.
I ricercatori del Pacific Northwest National Lab hanno escogitato una possibile soluzione: una batteria ricaricabile con un particolare tipo di congelamento e scongelamento capace di immagazzinare energia per mesi.
La maggior parte delle batterie sono progettate per perdere elettricità. Si basano sul semplice flusso di ioni attraverso un elettrolita liquido per caricare e rilasciare energia. Quando non c’è una domanda di energia, però, questi ioni possono fluire ugualmente. Ecco perché la batteria di un’auto elettrica, se lasciata in parcheggio, si scaricherà ugualmente.
La batteria PNNL, che è stata descritta nel dettaglio su Cell Reports Physical Science questo mese, “congela” queste perdite, impedendo la scarica. Funziona utilizzando un elettrolita di sale fuso che diventa liquido quando la batteria viene riscaldata a 180 gradi Celsius (356 gradi Fahrenheit), consentendo il passaggio degli ioni. Il sale però si solidifica quando si raffredda. Gli ioni, come l’energia, vengono catturati e intrappolati.
Le batterie di solito non sono pensate come un buon modo per immagazzinare energia per settimane o mesi. Gli specialisti della rete a volte si rivolgono a soluzioni basate sulla fisica per questo, come pompare acqua in serbatoi elevati che possono essere sfruttati in seguito, comprimere l’aria in caverne sotterranee o convertire l’energia rinnovabile in eccesso in un combustibile come l’idrogeno.
L’opinione prevalente è che le batterie sono troppo costose per essere prodotte in grandi quantità a tale scopo. Sono troppo difficili da costruire e contengono troppi minerali preziosi per essere lasciate incustodite mentre sono completamente cariche. Tuttavia, i ricercatori stanno sempre più esaminando la chimica irrisolta dei progetti di batterie più vecchi e spesso meno costosi.
Le batterie fatte di sale fuso rientrano in questa categoria. Sono state esplorate per le auto elettriche da case automobilistiche come Ford nel 1980, ma le batterie agli ioni di litio hanno rapidamente guadagnato terreno in piccoli gadget come i telefoni cellulari. Questa tecnologia è diventata così popolare perchè semplice da ricaricare, trattandosi solo di trasferire ioni avanti e indietro attraverso la cella.
Altri tipi di batterie comportano cambiamenti chimici e fisici più complessi che sono più difficili da invertire. Sono come distruggere un vaso e poi tentare di riassemblarlo.
Una manciata di questi problemi sono esacerbati dal metodo di congelamento-disgelo, che richiede che i materiali all’interno cambino fisicamente, cioè si espandano e si contraggano, prima di ogni utilizzo.
L’idea è quella di creare una batteria eccezionalmente stabile combinando metalli che vanno d’accordo tra loro, come nichel e alluminio, e aggiungendo granuli di zolfo per aumentare la stabilità. I ricercatori hanno creato un prototipo in miniatura, un contenitore delle dimensioni di un disco da hockey. Lo hanno riscaldato a 180 gradi Celsius in una fornace per attivarlo. Minyuan Miller Li, uno scienziato della batteria del PNNL che ha guidato la ricerca, aggiunge: “Potresti farlo nel tuo forno di casa”.
I ricercatori sottolineano che le batterie progettate per lo stoccaggio stagionale probabilmente si caricherebbero e si scaricherebbero solo una o due volte l’anno. A differenza delle batterie progettate per alimentare auto elettriche, laptop o altri dispositivi di consumo, non devono durare centinaia o migliaia di cicli.
“Si può iniziare a immaginare qualcosa come una grande batteria su un trattore-rimorchio da 40 piedi parcheggiato in un parco eolico”, ha detto il coautore Vince Sprenkle, consulente strategico senior di PNNL. “La batteria viene caricata in primavera e poi il camion viene guidato lungo la strada verso una sottostazione dove la batteria è disponibile se necessario durante il caldo estivo.”
I ricercatori sostengono che dopo tre mesi, la batteria ha conservato oltre il 90% dell’energia che è stata immagazzinata. (Le perdite sono state causate principalmente da ioni che si muovono in anticipo mentre la batteria si riscalda.)
Il problema è la temperatura. Il punto di fusione della miscela di sale è troppo caldo per essere pratico al di fuori del laboratorio, dice Li. Egli stima che il materiale dovrebbe fondersi a una temperatura molto più bassa, idealmente inferiore a 100 gradi Celsius, in modo che la batteria possa essere attivata con acqua calda. Il passo successivo è quello di provare nuovi materiali che abbasseranno i requisiti di temperatura, ad esempio aggiungendo un diverso tipo di sale che abbasserebbe il punto di fusione della miscela complessiva. I ricercatori vogliono anche vedere se possono sostituire il nichel con un metallo più economico, come il ferro.
Se i problemi di temperatura e dei materiali possono essere risolti, i ricercatori immaginano di creare celle più grandi, o grandi pacchi di tali celle, abbastanza grandi da immagazzinare l’energia in eccesso da un array solare o da una diga, cosa che potrebbe essere attraente per le aziende di batterie che vogliono commercializzarne il design. Ma prima di questo, ci sono molti nodi scientifici da risolvere. “Il nostro ruolo è quello di ridurre il rischio di questi tipi di tecnologia”, afferma Sprenkle.
Questi tipi di investimenti sono utili, afferma Omar Guerra, un esperto di reti presso il National Renewable Energy Laboratory che non è stato coinvolto nella ricerca, data la necessità di una vasta gamma di tecnologie di stoccaggio stagionale. L’accumulo di energia che dura per mesi sarà più utile una volta che la rete sarà in gran parte alimentata da fonti rinnovabili.
Senza stoccaggio, si dovrebbero probabilmente costruire un surplus di parchi eolici e solari per continuare a produrre abbastanza energia in quelle off-season o dunkelflautes, un colossale spreco di risorse, osserva Guerra. L’importante è che lo stoccaggio a lungo termine di qualsiasi tipo deve essere economico su larga scala, motivo per cui soluzioni come l’idrogeno e lo stoccaggio di aria compressa sono così attraenti. La maggior parte dei produttori di batterie “di lunga durata” si rivolge a intervalli di tempo molto più brevi rispetto ai ricercatori del PNNL, su una scala di ore o giorni.
I ricercatori del PNNL stimano che il costo della produzione della batteria si traduce in circa 23 dollari per kilowattora di energia, con il potenziale di scendere passando al ferro. Questo rientra nella gamma di stime per lo stoccaggio economico a lungo termine, afferma Jackie Dowling, ricercatrice di stoccaggio di energia presso Caltech.
E le batterie hanno un altro grande vantaggio: la posizione. Lo stoccaggio che coinvolge idrogeno, acqua o aria compressa occupa molto spazio e spesso si basa su serbatoi o caverne sotterranee che non si trovano sempre vicino a fonti di energia rinnovabili. “Dovresti costruire fili e tubi, mentre le batterie possono essere costruite ovunque”, dice. Ma l’eventuale domanda di una particolare tecnologia dipenderà dalla posizione e dai costi, nonché dalla disponibilità di fonti “solide” di energia a zero emissioni di carbonio che non sono soggette ai capricci della natura, come la geotermia e il nucleare.
Ci sono anche altri usi per l’accumulo di energia che è in grado di rimanere inutilizzato la maggior parte del tempo, osserva Guerra. Egli pensa alla grande gelata del 2021 in Texas che ha lasciato lo stato in un blackout per più giorni. E se ci fossero state batterie o combustibile a idrogeno rifornito, si chiede, per mantenere la rete in funzione? “Non abbiamo quel tipo di soluzione magica che risolverà il problema dell’accumulo di energia”, dice. “Sarà una gamma di tecnologie”.
