L'accumulo (o stoccaggio) dell’energia e la relativa erogazione stabile e senza fluttuazioni nella rete elettrica rappresentano dei nodi critici quando si tratta di energia proveniente da impianti a pannelli solari o ad energia eolica. In questo caso, si rende sempre più necessaria la presenza di sistemi di accumulo energetico efficienti e flessibili in modo da equalizzare le fluttuazioni dell’energia durante la sua produzione.
Immagine - Installazione di laboratorio di una batteria redox a flusso con la membrana idrofobica (dispositivo grigio nella parte inferiore dell'immagine) e due serbatoi di elettrolita (bottiglie con liquido giallo). Credit: Copyright: Philipp Scheffler/DWI
Gli scienziati dell'Istituto Leibniz per i materiali interattivi (DWI), insieme ai colleghi della RWTH Aachen University e della Hanyang University di Seoul hanno migliorato significativamente un componente chiave per lo sviluppo di nuovi sistemi di accumulo dell’energia.
Le batterie redox a flusso sono considerate una promettente tecnologia di prossima generazione per l’accumulo molto efficiente dell’energia. Queste batterie utilizzano elettroliti, componenti chimici in soluzione, per immagazzinare l'energia. Ad esempio, una batteria redox al vanadio è una batteria a flusso che utilizza ioni vanadio disciolti in acido solforico. Due elettroliti per lo stoccaggio dell'energia circolano nel sistema grazie all'utilizzo di una membrana che funge da separatore.
La capacità di stoccaggio dell’energia dipende dalla quantità di elettroliti e può essere facilmente aumentata o diminuita a seconda delle applicazioni. Per caricare o scaricare la batteria, gli ioni vanadio sono ossidati chimicamente o ridotti, mentre i protoni passano attraverso la membrana di separazione.
In questo sistema la membrana svolge un ruolo centrale: da un lato, deve separare gli elettroliti per evitare la perdita di energia a causa di un corto circuito; dall’altra i protoni devono attraversare la membrana quando la batteria è caricata o scaricata. Al fine di consentire l'uso efficiente da un punto di vista commerciale delle batterie redox a flusso, la membrana deve combinare entrambe queste funzioni, caratteristica che resta ancora un nodo critico da risolvere.
L’attuale punto di riferimento è la membrana Nafion®. Questa membrana è chimicamente stabile e permeabile da parte dei protoni ed è ben nota in tutte quelle applicazioni legate allo sviluppo delle celle a combustibile idrogeno. Tuttavia, il Nafion® (polimero dell’acido perfluorosolfonico) ed i polimeri simili tendono a gonfiarsi quando vengono esposti all’acqua e perdono così la loro funzione di barriera nei confronti degli ioni vanadio. I chimici che si occupano di ideare e sviluppare polimeri hanno cercato di impedire la perdita di vanadio modificando la struttura molecolare di tali membrane.
I ricercatori dell’Università RWTH di Aquisgrana e i ricercatori dell’Università di Seoul hanno utilizzato un approccio completamente diverso: «abbiamo pensato di utilizzare una membrana idrofobica. Questa membrana riesce a mantenere le sue funzioni specifiche di barriera poiché non si gonfia in acqua» scrive Matthias Wessling vice direttore scientifico presso l'Istituto Leibniz per i materiali interattivi e presidente del dipartimento di ingegneria dei processi chimici presso l’Università tecnica RWTH di Aquisgrana.
«Siamo rimasti piacevolmente sorpresi quando abbiamo scoperto che erano presenti minuscoli canali e pori all’interno del materiale idrofobo riempiti d’acqua. Questi canali d'acqua permettono ai protoni di viaggiare attraverso la membrana ad alta velocità. Tuttavia, gli ioni vanadio sono troppo grandi per passare attraverso la membrana» aggiunge Wessling.
Il diametro dei canali è inferiore a due nanometri e la funzione di barriera sembra essere stabile nel tempo: anche dopo una settimana o 100 cicli di carica e scarica gli ioni vanadio non sono stati in grado di attraversare la membrana. «Abbiamo raggiunto un'efficienza energetica del 99% a seconda della corrente. Questo dimostra che la nostra membrana è una vera barriera per gli ioni vanadio» prosegue Wessling. La membrana è stata testata a tutte le densità di corrente, tra 1 e 40 mA (milli Ampere) per centimetro quadrato, gli scienziati hanno raggiunto oltre l'85% di efficienza energetica mentre i sistemi convenzionali non superano il 76%.
Questi risultati suggeriscono un nuovo modello di trasporto. Il polimero con microporosità intrinseca, denominato PIM (polymer with intrinsic microporosity), risulta condensato in modo significativo.
Le molecole d’acqua che si accumulano nei pori ma non si accumulano nel polimero, potrebbero essere la ragione di questo fenomeno. I ricercatori sperano di iniziare ulteriori studi per analizzare questo effetto nel dettaglio.
Nonostante il fenomeno rappresenti un rompicapo, gli scienziati sono intenzionati ad effettuare ulteriori test: la membrana idrofobica potrà essere migliorata per l’utilizzo in una batteria redox a flusso?
Tale membrana riuscirà a rimanere stabile nel lungo termine? In tal caso, la membrana idrofobica potrebbe rappresentare un significativo avanzamento nell'utilizzo pratico delle batterie redox a flusso nei sistemi simili di accumulo energetico.
I ricercatori sperano di riuscire ad ottenere un’erogazione stabile dell'energia proveniente dalle fonti rinnovabili. In vista di un ulteriore incremento dell’energia prodotta da fonti rinnovabili questo studio potrebbe aver gettato le basi per il raggiungimento della stabilità delle reti elettriche.
Il Seok Chae, Tao Luo, Gi Hyeon Moon, Wojciech Ogieglo, Yong Soo Kang, Matthias Wessling. Ultra-High Proton/Vanadium Selectivity for Hydrophobic Polymer Membranes with Intrinsic Nanopores for Redox Flow Battery. Advanced Energy Materials, 2016; 1600517 DOI:10.1002/aenm.201600517
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