Batterie Termiche in Rapida Maturazione Senza la Necessità di Estrarre Metalli

Necessità di Stoccaggio di Energia su Larga Scala

C’è una crescente necessità di sistemi di batterie in grado di immagazzinare molta energia per diverse ore o giorni. Ciò è dovuto al fatto che l’energia solare e eolica è intermittente, variando nel corso della giornata e da un giorno all’altro.

Un altro fattore è la domanda energetica dei processi industriali, come la metallurgia. Queste fabbriche hanno bisogno di energia 24/7, solitamente per generare grandi quantità di calore nella gamma di 1.000-1.500°C.

L’uso di batterie al litio, come quelle per i veicoli elettrici, è improbabile che sia una soluzione scalabile. Sono semplicemente troppo costose, non abbastanza durevoli e consumano troppe materie prime.

Ecco perché sono state considerate molte diverse chimiche di batterie alternative per lo stoccaggio di energia su scala di utilità. Esaminiamo la maggior parte di queste opzioni nel nostro articolo “Il Futuro dello Stoccaggio di Energia – Tecnologia delle Batterie su Scala di Utilità“, includendo litio‑ferro‑fosfato, sodio‑ion, flusso redox, ferro‑aria, metallo fuso, nichel‑idrogeno, sodio‑zolfo, ecc.

Tutte queste batterie immagazzinano energia sotto forma di elettricità in un modo o nell’altro, solitamente attraverso l’ossidazione e la riduzione di un metallo.

Il problema è che anche metalli molto comuni come ferro o alluminio richiederebbero comunque molta estrazione mineraria. E se immagazzinassimo l’energia in un’altra forma?

Immagazzinare Calore

Esiste un numero sorprendentemente elevato di opzioni per immagazzinare energia senza utilizzare l’elettricità come mezzo di stoccaggio. Le abbiamo esaminate più in dettaglio in “Alternative non chimiche alle batterie per la transizione energetica“. Queste opzioni includono:

• Aria compressa.
• Batterie gravitazionali (rocce, idroelettrico pompato).
• Batterie termiche.
• Volani.
• Solare termico.

Ciascuna di queste opzioni, sia batterie che non batterie, ha vantaggi e svantaggi. La soluzione ideale per lo stoccaggio di energia dovrebbe soddisfare alcune caratteristiche:

• Nessuna necessità di metalli e materiali rari.
• Stoccaggio di energia a lungo termine.
• Basso costo.
• Facilmente scalabile senza limitazioni su siti o risorse disponibili.
• Può essere utilizzata come elettricità con perdite minime.

Per i primi 4/5 punti, lo stoccaggio di calore sarebbe adatto. Le batterie di sabbia, come quelle dell’azienda finlandese Polar Night Energy, possono immagazzinare l’energia in eccesso dall’estate all’inverno, indispensabile per alimentare con fonti rinnovabili i sistemi di riscaldamento nei freddi e senza sole inverni del Nord. E utilizza solo sabbia di bassa qualità e un po’ di metallo per la struttura e le tubazioni.

Fonte: Polar Night Energy

Una batteria termica simile è immaginata da Rondo Energy, con mattoni che possono essere riscaldati fino a 1500°C, utilizzando il calore per processi industriali come la produzione di cemento o acciaio.

Queste batterie termiche funzionano bene quando il prodotto desiderato è riscaldato fin dall’inizio, sia che si tratti di teleriscaldamento per appartamenti o di calore industriale.

Fonte: Rondo Energy

Tuttavia, si pensava che le batterie termiche fossero poco adatte a fornire energia alla rete, poiché l’efficienza di conversione del calore in elettricità è solitamente nella fascia bassa del 20-30%. Ciò significherebbe che fino a 4/5 dell’energia “immagazzinata” viene effettivamente persa. O, per dirla diversamente, l’energia immagazzinata diventa improvvisamente 5 volte più costosa rispetto a quando è stata prodotta.

Anche con l’energia solare ora pari all’energia dei combustibili fossili, è ancora lontana dall’essere cinque volte più economica. Tuttavia, questo problema potrebbe essere solo temporaneo, grazie all’innovazione in una tecnologia chiamata termofotovoltaico.

Celle Termofotovoltaiche – Fotovoltaico, ma con Calore

Le termofotovoltaiche sono l’idea di generare energia in modo simile ai tradizionali pannelli fotovoltaici ma con calore anziché luce solare — o, più precisamente, luce infrarossa emessa da materiali riscaldati.

In un pannello fotovoltaico tradizionale, qualsiasi frequenza luminosa al di sotto di una certa soglia non è sufficientemente energetica per generare corrente e viene sprecata. Questo vale per tutta la luce infrarossa, poiché le onde elettromagnetiche infrarosse hanno energia troppo bassa.

Non è una tecnologia nuova di per sé, ma ha sempre sofferto di un’efficienza troppo bassa per essere adottata su larga scala. Questo è stato vero fino al recente risultato dei ricercatori dell’Università del Michigan, che hanno pubblicato i loro risultati in una pubblicazione scientifica intitolata “Celle termofotovoltaiche ad alta efficienza con ponte d’aria”.

Affermano di aver raggiunto un’efficienza record del 44% per temperature inferiori a 1.500°C, molto più alta rispetto ai risultati precedenti, che arrivavano solo al 37%.

E i ricercatori pensano di avere un modo per raggiungere il 50% “nel non troppo lontano futuro”.

Fonte: Cell

Come Funzionano le Celle Termofotovoltaiche?

Innanzitutto, il materiale di stoccaggio, che può essere pietra, sabbia, carbonio, mattoni, ceramica, ecc., deve essere riscaldato, sia con elettricità in eccesso proveniente da fonti rinnovabili sia con calore solare diretto.

A 1435°C, circa il 20-30% dei fotoni infrarossi che emetterà hanno energia sufficiente per generare elettricità nelle celle termofotovoltaiche del team di ricercatori.

Fonte: Design Boom

Le altre frequenze infrarosse non potevano essere convertite in elettricità con il semiconduttore utilizzato nel pannello termofotovoltaico.

Allora, come hanno raggiunto il 44%? L’ingegnoso “trucco” è stato aggiungere uno strato sottile d’aria alla cella termofotovoltaica appena oltre il semiconduttore e un riflettore d’oro oltre lo spazio d’aria.

Questo ha intrappolato i fotoni con il giusto livello di energia, pronti a produrre elettricità. Gli altri venivano rimandati verso il materiale riscaldato, riscaldandolo nuovamente. Avrebbero così avuto un’altra possibilità di essere inviati verso la cella termofotovoltaica con la frequenza luminosa corretta.

In sostanza, permette alla cella di riciclare ciò che non ha catturato la prima volta, aumentando l’efficienza di conversione complessiva.

Batterie Termiche Future

Un’efficienza del 44% o anche del 50% potrebbe non sembrare così impressionante se confrontata con l’idroelettrico pompato (70-85%) o le batterie al litio (85-95%).

Fonte: EESI

Ma questo ignorerebbe il fatto che la diffusione su larga scala dello stoccaggio di energia su scala di utilità dipende tanto dall’economia quanto dalla tecnologia.

Le batterie hanno una durata di vita misurata in anni prima di necessitare il riciclo. Inoltre, semplicemente non c’è abbastanza litio e ancora meno rame, nichel o cobalto per distribuirle a quella scala, soprattutto quando la maggior parte di questa produzione di metalli è già richiesta per i veicoli elettrici.

Al contrario, le batterie termiche possono durare decenni con poca o nessuna manutenzione. Richiedono quasi nessun materiale oltre a roccia, sabbia o argilla. Possono essere costruite ovunque e di qualsiasi dimensione, anche veramente gigantesche, con quasi nessun impatto sugli ecosistemi, a differenza dell’idroelettrico.

Infine, il calore è uno dei metodi più efficienti quando l’energia deve essere immagazzinata per settimane e mesi, con praticamente tutti i tipi di batterie che “perdono” energia nel tempo a un tasso molto più elevato rispetto a un sistema di stoccaggio termico ben isolato.

“È una forma di batteria, ma una molto passiva. Non è necessario estrarre litio come si fa con le celle elettrochimiche, il che significa che non bisogna competere con il mercato dei veicoli elettrici.

A differenza dell’acqua pompata per lo stoccaggio idroelettrico, può essere collocata ovunque e non è necessario avere una fonte d’acqua nelle vicinanze,”

Stephen Forrest, Professore Universitario di Ingegneria Elettrica presso U-M

Quindi, nel complesso, una batteria termica può essere la soluzione di stoccaggio energetico perfetta per attenuare l’intermittenza delle rinnovabili. E può anche immagazzinare l’energia in eccesso dei mesi ventosi o soleggiati per l’inverno nei climi temperati, o per la stagione delle piogge nei climi tropicali.

Stoccaggio di Calore / Aziende Termofotovoltaiche

1. II-VI Marlow / Coherent

II-VI (COHR ) Marlow è una filiale di II-VI Inc., leader del settore nel campo della produzione di celle termofotovoltaiche. Nel 2022, II-VI Inc. ha acquisito il produttore di laser Coherent Inc. (COHR ) e successivamente ha cambiato il nome dell’azienda.

L’azienda è esperta in materiali avanzati utilizzati in laser, ottica e fotonica, come fosfuro di indio, wafer epitassiale e arsenico di gallio. È cresciuta notevolmente grazie a numerose acquisizioni nell’ultimo decennio.

Fonte: Coherent

L’attività termofotovoltaica dell’azienda rappresenta solo una piccola parte del suo fatturato complessivo, con fibra ottica, laser e altri prodotti che costituiscono la maggior parte dei ricavi. Questo potrebbe, tuttavia, essere una buona notizia per gli investitori, poiché significa anche che dispone del capitale per distribuire rapidamente nuove tecnologie su scala industriale se l’innovazione apre nuovi mercati.

Fonte: Coherent

Ad esempio, il mercato massiccio dello stoccaggio su scala di utilità per l’energia rinnovabile in eccesso…

Poiché l’Università del Michigan ha “presentato una domanda di protezione brevettuale (…) e sta cercando partner per portare la tecnologia sul mercato“, non sarebbe sorprendente se un’azienda come Coherent finisse per portare le nuove celle termofotovoltaiche sul mercato. Soprattutto considerando la sua esperienza preesistente nella produzione industriale di termofotovoltaici e materiali avanzati simili.

2. Sumitomo Electric Industries (SMTOY)

Le celle termofotovoltaiche utilizzate dai ricercatori dell’Università del Michigan sono state realizzate con InGaAsP (fosfuro di indio gallio arsenico).

“Quindi indaghiamo se tradurre l’architettura a ponte d’aria da assorbitori ternari a quaternari del gruppo III–V (InGaAsP a reticolo corrispondente a substrati InP) possa migliorare l’efficienza entro l’intervallo target di temperature dell’emettitore.”

Se questa tecnologia diventerà un formato standard per lo stoccaggio di energia su scala di utilità, avremo bisogno di InGaAsP, e in grandi quantità.

Quindi avrebbe senso, in questo scenario, puntare sull’azienda che da 30 anni è leader nella produzione di InGaAsP, il conglomerato giapponese Sumitomo.

Per più di 30 anni, la Divisione Semiconductor di Sumitomo Electric ha mantenuto la sua posizione di leadership come più grande produttore mondiale di arsenico di gallio (GaAs) e fosfuro di indio (InP).

Il nome Sumitomo è diventato sinonimo di qualità nei materiali III‑V. Sumitomo Electric ha ottenuto questa reputazione fornendo ai suoi clienti globali substrati di qualità superiore che portano a rendimenti più alti e dispositivi con caratteristiche elettriche coerenti.

Sumitomo Compound Semiconductor – Chi Siamo

Sumitomo Electric Industries, e il suo dipartimento di semiconduttori composti, è la filiale del più grande conglomerato Sumitomo, uno dei più grandi sōgō shōsha (società commerciali generali) al mondo.

Oltre a InGaAsP, l’attività principale di Sumitomo Electric Industries è la produzione di:

• Apparecchiature per telecomunicazioni (fibra ottica, 5G)
• Cablaggi automobilistici e cavi ad alta potenza
• Elettronica (circuiti stampati flessibili, cavi dati, membrane filtranti)
• Materiali di alta qualità (carburo, utensili da taglio, tiri d’acciaio precompresso).

Fonte: Sumitomo

L’esperienza nella produzione di massa di materiali di alta qualità, la leadership nella produzione di InGaAsP e le connessioni commerciali derivanti dall’essere parte di una sōgō shōsha / società commerciale generale dovrebbero garantire che Sumitomo Electric Industries sarà uno dei principali beneficiari di una diffusione su larga scala delle termofotovoltaiche.

La crescita dovrebbe essere positiva anche per le telecomunicazioni (digitalizzazione, IA) e per i prodotti afferenti ai veicoli elettrici (cavi, cablaggi), entrambi settori in forte espansione.