Zinco
Negli ultimi sette anni, 110 villaggi in Africa e Asia hanno ricevuto energia da batterie che utilizzano zinco e ossigeno, la base di un sistema di stoccaggio di energia sviluppato da NantEnergy con sede in Arizona.
La fornitura abbondante di zinco, la stabilità fondamentale e il basso costo lo rendono un’alternativa attraente al litio, ma gli sforzi per renderlo commercialmente fattibile su scala sono stati pochi e lontani tra loro. Il sistema di batterie zinco-aria di NantEnergy sostituisce un secondo elettrodo con uno che “respira aria”, utilizzando l’ossigeno dell’atmosfera per estrarre energia dallo zinco.
Secondo un rapporto pubblicato da Lux Research, “lo zinco-aria è una chimica adatta per le microgrid, fornendo una soluzione economica di stoccaggio dell’energia. Le batterie di flusso lottano per scalare fino alle dimensioni di una tipica microgrid, e le batterie agli ioni di litio non competono sul costo.”
Importante, NantEnergy ha anche sviluppato una tecnica per consentire allo zinco di mantenere la sua carica per lunghi periodi di tempo, risolvendo il solito problema della riutilizzabilità limitata per le batterie di zinco e zinco-aria. Secondo l’azienda questo metodo può essere prodotto localmente senza materiali rari o costosi, riducendo la dipendenza dalle importazioni e contribuendo ai posti di lavoro e alle economie locali.
Le batterie zinco-aria inoltre non contengono composti tossici e non sono né altamente reattivi né infiammabili, permettendo loro di essere riciclati e smaltiti in sicurezza.
Tuttavia, mentre lo zinco è uno dei metalli più abbondanti sulla Terra, utilizzarlo su scala come alternativa al litio potrebbe porre problemi in futuro. Il professore di chimica alla University of Southern California Sri Narayan ha detto al New York Times: “Al ritmo attuale di produzione di zinco, le riserve di zinco dureranno circa 25 anni.”
“Quindi non è chiaro dalle riserve disponibili se avremo abbastanza zinco per sostenere l’enorme bisogno che deriverà dalla domanda di batterie su scala di rete.”
Sodio-zolfo
Le batterie al sodio-zolfo sono un’altra alternativa al litio, e hanno già visto un uso significativo su scala in siti in tutto il mondo.
Nel febbraio 2019, Abu Dhabi ha installato la più grande batteria di stoccaggio del mondo che fa uso di celle per batterie al sodio-zolfo. È cinque volte più grande della seconda batteria di stoccaggio più grande a 108 megawatt (MW)/ 648 megawattora (MWh).
Le batterie sodio-zolfo hanno una durata più lunga delle loro controparti agli ioni di litio, con una vita di circa 15 anni rispetto ai due o tre anni previsti dalle batterie al litio. Il sodio e lo zolfo sono anche materiali abbondanti e poco costosi, il che mitiga uno dei problemi principali delle batterie al litio.
Tuttavia, ci sono dei rischi legati alla manipolazione di sodio e zolfo a causa della natura volatile di entrambi i reagenti. Il sodio liquido che entra in contatto con l’acqua nell’atmosfera pone un rischio significativo a causa della reazione altamente esotermica, che potrebbe diventare esplosiva quando si lavora in scala.
Le fabbriche di batterie allo zolfo-sodio e gli impianti che le usano sono stati il luogo di una serie di incendi, come l’incendio del 2011 allo stabilimento di Tsukuba in Giappone che ha causato al produttore NGK la sospensione temporanea della produzione delle sue batterie allo zolfo-sodio.
Un altro svantaggio delle batterie allo zolfo-sodio è l’alta temperatura operativa di 300 °C, che è necessaria per liquefare il sodio. Queste alte temperature potrebbero danneggiare la membrana ceramica che separa i componenti anodici e catodici della batteria, e potrebbero anche esacerbare la volatilità dei reagenti nelle batterie.
Celle a combustibile a idrogeno
L’idrogeno è stato pubblicizzato da un certo numero di compagnie energetiche come un’alternativa a zero emissioni di carbonio al gas naturale liquefatto, e le celle a combustibile a idrogeno sono anche in fase di sviluppo come alternativa alle tradizionali batterie al litio.
Le celle a combustibile a idrogeno hanno un rapporto energia-peso dieci volte superiore alle batterie al litio, grazie all’uso di idrogeno e ossigeno come reagenti. Questo significa che le celle a combustibile a idrogeno possono essere più leggere e occupare spazi più piccoli pur fornendo una potenza equivalente a quella delle batterie al litio, risparmiando sulle risorse.
L’idrogeno è estremamente abbondante nell’atmosfera, il che lo rende un’alternativa attraente ai materiali con una fornitura limitata come il litio o lo zinco.
Le pile a combustibile all’idrogeno hanno anche una maggiore autonomia rispetto alle batterie al litio e producono solo acqua e calore come parte del processo di produzione di energia, presentando una fonte di energia efficiente e a zero emissioni di carbonio rispetto alle batterie convenzionali.
Mentre i processi di produzione delle batterie (e i dispositivi che alimentano) rilasciano anidride carbonica nell’atmosfera, questo effetto può essere mitigato alimentando i processi con fonti di energia rinnovabili. Le batterie all’idrogeno utilizzano anche meno anidride carbonica per la produzione rispetto alle batterie al litio, in virtù del fatto che non richiedono sforzi di estrazione ad alta intensità energetica.
Tuttavia, le celle a combustibile all’idrogeno sono una tecnologia relativamente nuova e hanno i loro svantaggi.
Come il sodio, l’idrogeno è altamente infiammabile e può reagire in modo esplosivo se non viene gestito correttamente. Moderare la temperatura delle celle a combustibile è importante per prevenire reazioni volatili e perché le celle a combustibile hanno bisogno di acqua liquida per funzionare, al contrario del vapore o del ghiaccio.
Il magazzinaggio dell’idrogeno è costoso e richiede molta energia, sia come gas che come liquido a basse temperature. Nonostante la sua abbondanza nell’atmosfera, l’idrogeno è anche difficile e costoso da produrre e trasportare, in particolare su scala.