Una batteria a flusso redox (RFB) è costituita da uno stack di celle e una coppia di serbatoi che contengono le soluzioni di elettrolita. Questa invenzione riguarda una configurazione innovativa, nella quale, sia lo stack che i serbatoi sono divisi in compartimenti per permettere l’alimentazione indipendente di ogni compartimento di stack da due compartimenti della coppia di serbatoi. In questo modo è possibile modulare il flusso di elettrolita limitando le variazioni di tensione in uscita dall’intera batteria qualsiasi siano le condizioni di carico. Questo permette di ottimizzare i flussi di potenza elettrica tra essa e la rete.
Stato del brevetto
DEPOSITATO
Numero di priorità
IT102020000016600
Data di priorità
09/07/2020
Licenza
INTERNAZIONALE
Mercato
Il mercato dei sistemi elettrochimici per l’accumulo e la conversione dell’energia elettrica è strettamente legato alla produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili. Questi accumulatori sono diffusi in diversi settori di impiego stazionari ad es. domestici, in microgrid e in rete a livello DSO e TSO. In particolare le batterie a flusso Redox al Vanadio (VRFB) costituiscono il 50% del mercato delle batterie a flusso, che nel 2020 valeva circa 194 milioni di USD, con una crescita stimata CAGR di oltre il 20% entro il 2027 (Global Industry Analysts, Vanadium Redox Battery – Global Market Trajectory & Analytics, 2021).
Problema
Le RFB risultano particolarmente adatte ad immagazzinare ed erogare energia elettrica in funzione della richiesta di energia da parte di un impianto industriale, una rete di distribuzione di energia elettrica, un singolo carico, ecc. Inoltre, le RFB risultano particolarmente adatte a stabilizzazione la potenza elettrica fornita alle utenze, indipendentemente dalle fluttuazioni dei sistemi di generazione elettrica di tipo intermittente e non programmabile, come i generatori eolici, fotovoltaici e altri generatori basati su fonti rinnovabili.
L’invenzione riguarda un metodo di gestione dello stato di carica di una batteria a flusso, tramite serbatoi e stack comprendenti compartimenti separati. L’esigenza tecnica di ottimizzare lo scambio di potenza tra la batteria e la rete per evitare variazioni non volute della tensione in uscita alla batteria potrà essere controllata dal sistema di gestione, indipendentemente dallo stato di carica complessivo della batteria. Questo grado di libertà non è possibile con le attuali tecnologie di batterie a flusso e con sistemi che facciano uso di batterie allo stato solido come le batterie agli ioni di litio.
Limiti attuali tecnologie / Soluzioni
Le RFB presentano una coppia di serbatoi per il contenimento delle soluzioni di elettrolita. L’elettrolita proveniente dalle semi-celle di uno stack subisce una reazione redox viene reimmesso nei serbatoi e pertanto miscelato all’elettrolita ancora presente. Quando avviene la miscelazione, lo stato di carica in ciascun serbatoio è sempre pari alla media degli stati di carica dei volumi contenuti. Tale condizione non consente una regolazione dello stato di carica dello stack, comportando una sensibile limitazione delle possibili funzioni della RFB, in particolare rispetto al valore della tensione di uscita (erogazione alla rete, mantenimento della frequenza, livellamento del picco). Inoltre, la tensione a vuoto non regolabile comporta indesiderate inefficienze da parte dell’elettronica di controllo che si interfaccia con la rete, costretta ad operare con valori di tensione variabili.
Per ovviare a tale inconveniente, alcune configurazioni prevedono una duplicazione del numero di serbatoi in modo da disporre di una maggiore energia immagazzinata e di poter disporre di un volume maggiore di elettrolita con il maggior valore di stato di carica. Tali soluzioni sono tuttavia piuttosto costose e comportano la necessità di disporre di un ingente spazio atto ad accogliere i serbatoi, a fronte di un limitato incremento nell’efficienza della RFB.
Killer Application
L’invenzione riguarda le batterie elettrochimiche note come batterie a flusso redox o RFB (Redox Flow Battery). Nello specifico, è stata ideata una configurazione partizionata dei serbatoi e degli stack comprendenti compartimenti separati che consentono una migliore gestione dello stato di carica della batteria.
Tecnologia e nostra soluzione
L’invenzione riguarda una batteria a flusso redox comprendente almeno uno stack diviso in moduli, ciascuno dei quali comprende una pluralità di celle elettrochimiche divise in semicelle. La batteria inoltre comprende una coppia di serbatoi ulteriormente divisi in compartimenti interni. Ciascun compartimento è idraulicamente collegato alle semi-celle di ciascun modulo mediante un condotto di carico e un condotto di scarico. La batteria inoltre comprende un sistema di gestione elettronico, programmato per controllare il funzionamento della batteria oltre a un sistema di gestione della potenza configurato per erogare energia elettrica generata dalla batteria a un carico connesso alla stessa o assorbire energia elettrica da un generatore connesso alla batteria. La batteria comprende dei sensori che acquisiscono lo stato di carica di almeno un modulo. Tale soluzione consente di disporre di una batteria a flusso redox grazie alla quale è possibile gestire il valore della tensione a vuoto della stessa, indipendentemente dallo stato di carica complessivo. La presenza infatti di una simile suddivisione del serbatoio in più compartimenti, consente di modulare lo stato di carica del serbatoio stesso. La batteria così concepita risulta pertanto altamente efficiente e al contempo la sua realizzazione, nonché quella del sistema di controllo che ne gestisce il funzionamento, comporta un costo contenuto.
Vantaggi
Roadmap
Attualmente il grado di maturazione tecnologia è TRL 3. L’efficacia dell’invenzione è stata verifica in via teorica e grazie ad un confronto con risultati sperimentali di batterie con configurazione classica. Un prototipo con relativo sistema di gestione e successiva messa in funzione nel laboratorio Electrochemical Energy Storage and Conversion Laboratory del Dipartimento di Ingegneria industriale dell’Università di Padova richiederà circa tre-quattro mesi per il raggiungimento di un TRL6.
TRL
Il team
