L’invenzione riguarda una modalità di controllo e gestione di batterie redox a flusso di vanadio che consente di elevare l’efficienza della batteria stessa. Al tempo stesso esso è in grado di regolare la temperatura degli elettroliti, così da evitare la precipitazione dei sali di vanadio nelle soluzioni che potrebbe innescare condizioni critiche o guasti. Inoltre l’invenzione consente di aumentare la capacità di risposta della batteria. Questa caratteristica è molto utile per l’impiego delle batterie a flusso in servizi veloci come la regolazione della frequenza della rete elettrica.

Stato del brevetto

DEPOSITATO

Numero di priorità

IT102020000005263

Data di priorità

11/03/2020

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 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. Tuttavia, un’elevata concentrazione delle specie reagenti nelle RFB – necessaria per garantire un elevato immagazzinamento di energia – è legata all’occorrenza di reazioni reversibili e irreversibili indesiderate, in particolare durante i periodi di inattività, o stand-by della batteria, ossia quando non è erogata potenza elettrica da un carico né assorbita potenza elettrica da un generatore. Per esempio, nelle VRFB, durante le fasi di stand-by della batteria si verificano reazioni di auto-scarica esotermiche dovute alle ricombinazioni di ioni presenti normalmente in ciascuna semi-cella tra loro e con ioni che migrano da una semi-cella all’altra – fenomeno definito effetto crossover.

Limiti attuali tecnologie / Soluzioni

A temperature prossime ai 50°C alcuni ioni iniziano a cristallizzare e quindi a precipitare portando alla generazione di sali riducendo in modo irreversibile l’energia immagazzinabile dalla VRFB. Inoltre, tali sali possono accumularsi in corrispondenza delle porosità degli elettrodi, riducendo la capacità degli stessi di produrre le reazioni di ossidazione e riduzione che alimentano la conversione elettrica e quindi l’efficienza della VRFB.

Per ovviare a tali inconvenienti, usualmente si svuotano parzialmente le celle durante i periodi di stand-by.  Tuttavia, tale espediente introduce ritardi sostanziali nel tempo di risposta della batteria a una richiesta di energia elettrica da parte di un carico dovuti alla necessità di riempire le celle con le soluzioni elettrolitiche prima che la RFB sia in grado di funzionare. Inoltre, durante lo svuotamento delle celle vi è il rischio che la depressione che viene a crearsi in esse provochi l’aspirazione di aria dall’ambiente esterno a causa della tenuta non ottimale delle guarnizioni riducendo l’efficacia di funzionamento della RFB e portando a ossidoriduzioni indesiderate tra l’ossigeno atmosferico e gli elettroliti. In aggiunta o in alternativa, nella tecnica usuale si ricorre alla ventilazione forzata per contrastare il problema della precipitazione. Tuttavia, tale espediente richiede l’utilizzo di impianti di ventilazione complessi ed energivori, aumentando i costi sia di investimento sia di funzionamento di un impianto comprendente una o più RFB e riducendone l’efficienza energetica complessiva.

Killer Application

Questo sistema di gestione è adatto sia per la gestione di impianti di accumulo energetico basati su batterie a flusso redox all’interno di microgrid, sia negli impianti di grandi dimensioni che gestiscono molteplici stack.

  • Sistemi industriali con Batterie a flusso di elettrolita redox (RFB);
  • Sistema gestione, controllo e caratterizzazione di batterie a flusso usate nei sistemi di accumulo energetico a servizio di rete elettriche evolute (smart grid, micro-grids);
  • Laboratori di prova per RFB.

Tecnologia e nostra soluzione

Il nuovo Battery Management System è composto da un software in grado di interagire con i diversi elementi di hardware a cui è connesso per la gestione della potenza, i circuiti idraulici, la tensione e corrente dello stack, la tensione a vuoto e il condizionamento del segnale.

Grazie all’acquisizione di molteplici parametri (tensione a vuoto, tensione delle celle e dello stack, temperatura in ingresso e in uscita dallo stack, corrente dello stack, flusso dell’elettrolita, pressione, livello delle soluzioni, alimentazione delle pompe) il metodo alla base del sistema di gestione della batteria è in grado di mettere in atto dei controlli di funzionamento sulla base delle informazioni acquisite. In particolare prevede di:

  1. Identificare l’inizio di un periodo di inattività della batteria durante il quale la batteria non eroga energia elettrica da un carico né non assorbe energia elettrica da un generatore;
  2. Attivare una modalità operativa configurata per mantenere la carica immagazzinata nella batteria durante l’inattività durante la quale può:
    • Annullare un flusso degli elettroliti dallo stack ai serbatoi o mantenere una minima portata di ricircolo necessaria a garantire una risposta rapida, minimizzando le perdite energetiche;
    • Verificare il raggiungimento di una condizione di soglia indicativa di una precipitazione di sali in uno o in entrambi gli elettroliti contenuti nello stack; quindi eseguire un lavaggio sostituendo gli elettroliti contenuti nello stack con altri elettroliti freschi contenuti nei serbatoi. Questa azione è di particolare rilievo poiché provoca nel contempo un raffreddamento della soluzione.

Vantaggi

Grazie al metodo brevettato, rispetto ai BMS attualmente in uso diventa possibile controllare una batteria a flusso redox per:

  • Garantire il mantenimento della carica immagazzinata anche durante lunghi periodi di stand-by, evitando il fenomeno di autoscarica;
  • Evitare precipitazione di sali nelle celle durante periodi di stand-by grazie all’individuazione delle condizioni di soglia, con conseguente azionamento di opportune azioni correttive;
  • Controllare la temperatura degli elettroliti nelle celle della batteria a flusso redox.

Roadmap

Attualmente questa invenzione presenta TRL 7 essendo stata realizzata e completamente testata con successo su un prototipo di scala industriale funzionante nel laboratorio Electrochemical Energy Storage and Conversion Laboratory del Dipartimento di Ingegneria industriale dell’Università di Padova. L’invenzione ed in particolare l’algoritmo che ne sta alla base sono implementati in ambiente LabVIEW. L’algoritmo è comunque trasferibile facilmente in un PLC industriale permettendo di elevare il TRL a 9 con costi di sviluppo contenuti.

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