Più Energia, Meno Anidride Carbonica – Approccio Multiforme della Nuova Tecnologia delle Batterie alla Sostenibilità

Batteria o Cattura del Carbonio? Perché Non Entrambe?

La spinta verso l’energia verde e l’elettrificazione è principalmente motivata dalla necessità di ridurre le emissioni di carbonio nel contesto del cambiamento climatico. Tuttavia, l’energia solare e eolica è intrinsecamente intermittente.

Quindi, più energia verde alimenta la rete, più batterie su scala di utilità sono necessarie per immagazzinare l’energia durante la produzione di picco e ridistribuirla alla rete in un secondo momento. Le batterie su scala di utilità probabilmente utilizzeranno chimiche molto diverse rispetto ai veicoli elettrici, poiché non operano sotto le stesse restrizioni:

• Nessuna necessità di alta densità o leggerezza, le batterie di utilità possono essere immagazzinate a terra presso centrali elettriche o siti dedicati.
• Sensibilità estrema al costo totale (costruzione + operazioni).
• Necessità di utilizzare materiali economici e abbondanti per essere distribuiti su larga scala, rinunciando a metalli come cobalto, platino, palladio, ecc., (o idealmente anche al litio).
• Necessità di una durata molto lunga senza degradazione della capacità, idealmente nell’ordine di diversi decenni.

È qualcosa che abbiamo già esplorato in profondità nel nostro articolo “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech”, dove abbiamo elencato la maggior parte delle chimiche possibili in sviluppo per questa applicazione.

Tutte queste batterie operano per rendere l’energia verde più economicamente sostenibile e ampiamente adottata, il che ridurrebbe le emissioni di carbonio. Tuttavia, nessuna contribuisce direttamente a ridurre le emissioni o a catturare il carbonio.

Perfino le cosiddette batterie a CO2 riemetterebbero CO2 una volta che l’elettricità viene scaricata.

Questo potrebbe cambiare, grazie a un rivoluzionario nuovo design di batteria, che potrebbe non solo immagazzinare energia ma anche produrre idrogeno e catturare carbonio in modo duraturo.

Batterie a Cattura del Carbonio

La cattura del carbonio è l’idea di prendere la CO2 normalmente emessa e trasformarla nuovamente in prodotti utili. Puoi leggere di più sulle varie tecnologie di cattura del carbonio in questo articolo di Energy Tracker.

Fonte: EnergyTracker

Fino ad ora, tale processo era qualcosa da aggiungere sopra i processi industriali e rappresentava un costo aggiuntivo senza un prodotto pratico se non la cattura del carbonio. Il processo stesso non era utile.

Abbiamo discusso lo stato attuale della cattura del carbonio in maggiore dettaglio nel nostro articolo “Top 5 Carbon Capture Stocks To Invest In”.

I ricercatori dell’Oak Ridge National Laboratory potrebbero aver trovato un modo per rendere la cattura del carbonio una parte integrante della rete elettrica verde e delle batterie associate. Hanno pubblicato i loro risultati nel Journal of Power Sources, con il titolo “Origin of deactivation of aqueous Na–CO2 battery and mitigation for long-duration energy storage”.

Concetto Precedente Aggiornato

La batteria a cattura del carbonio è un aggiornamento rispetto al tradizionale metallo-CO2 che cicla CO2 dentro e fuori mentre ossida un metallo (M), che può essere sodio (Na), litio (Li) o magnesio (Mg): CO2 ↔ MxCO3.

Un problema ricorrente delle batterie metallo-CO2 è la deposizione di prodotti di scarica solidi come M2CO3(s) (M = Li o Na), Al2(C2O4)3(s) o MgCO3(s) sulla superficie dell’elettrodo, che spesso porta all’ostruzione della struttura porosa dell’elettrodo.

Questo intasamento influisce negativamente sulla batteria, riducendo rapidamente la sua capacità.

Per superare questo problema, i ricercatori hanno sviluppato due batterie potenziali, una basata sul sodio e l’altra sull’alluminio, entrambi materiali abbondanti e a basso costo.

La batteria Na-CO2 si basa su un catalizzatore ferro-nichel, molto più economico rispetto alla maggior parte dei catalizzatori del settore.

Contrariamente ai progetti precedenti, la nuova batteria a CO2 non rilascia CO2 in forma gassosa, ma il sottoprodotto carbonato si dissolve nell’elettrolita liquido.

Questi carbonati possono poi essere mantenuti nella batteria o raccolti quando si accumulano e precipitano in forma solida. L’industria farmaceutica o del cemento può quindi utilizzarli.

I soli gas rilasciati sono ossigeno e idrogeno, che non contribuiscono al cambiamento climatico e possono persino essere catturati per produrre energia o carburante.

Fonte: Oak Ridge National Laboratory

Superare le Sfide Ingegneristiche

Questa idea sembra così impressionante che potrebbe sorprendere il fatto che non sia stata realizzata prima.

Il motivo è che realizzarla in pratica ha dovuto superare alcune problematiche tecniche.

Innanzitutto, gli elettrodi devono essere separati in camere umide e secche con un conduttore ionico solido tra di loro. Il conduttore rallentava il movimento degli elettroni, riducendo l’efficienza della batteria.

In secondo luogo, questo tipo di batteria Na-CO2 non è immune al problema delle batterie a CO2 di deposizione di film sull’elettrodo. Tuttavia, i ricercatori hanno scoperto, usando microscopi molto avanzati e macchine a raggi X, che impulsi di carica e scarica irregolari impedivano l’accumulo di film sull’elettrodo.

“Stiamo riportando per la prima volta che la cella disattivata può essere riattivata.

E abbiamo trovato l’origine della disattivazione e dell’attivazione. Se carichi-scarichi la batteria in modo simmetrico per troppo tempo, è morta in una fase. Se utilizzi il protocollo che abbiamo stabilito per la nostra cella, la probabilità di fallimento è molto bassa.”

Ruhul Amin – il ricercatore principale del progetto

Forse ancora più impressionante, queste batterie possono catturare la CO2 utilizzando l’energia immagazzinata, non solo quando la produzione di energia rinnovabile è al picco, offrendo maggiore flessibilità. Potrebbe anche renderle una combinazione perfetta per catturare carbonio dalle centrali di picco che dipendono da combustibili fossili per produrre energia quando il vento è debole o il sole non splende.

Passare al Design Commerciale

Con la prova di concetto di una batteria a CO2 che poteva essere riattivata, il team ha proseguito migliorando le prestazioni per soddisfare i requisiti di una batteria su scala di utilità realizzabile.

Per questo, hanno sviluppato una batteria Al-CO2 basata sullo stesso principio del prototipo Na-CO2.

Il prototipo ha raggiunto risultati notevoli, in particolare:

• 600 ore (25 giorni) di funzionamento senza perdita di capacità.
• Capacità di immagazzinamento sufficiente per più di 10 ore di elettricità da utilizzare in seguito.

Cosa Verrà Dopo?

L’uso dell’acqua di mare come mezzo acquoso può migliorare notevolmente la velocità della batteria e la produzione di idrogeno+ossigeno creando candeggina dagli atomi di cloro presenti nell’acqua. Pertanto, questa batteria potrebbe funzionare con sottoprodotti ancora più utili rispetto a quanto inizialmente previsto.

Un’altra sfida sarà portare il design della batteria alluminio-CO2 a una scala più ampia adatta a una reale implementazione su scala di utilità.

Un altro lavoro in corso è tornare alla batteria Sodio-CO2 e sviluppare una membrana ceramica molto fine, densa e meccanicamente stabile per separare le camere della batteria, rendendola competitiva commercialmente.

Società di Batterie

A causa delle loro limitazioni precedenti, ci sono poche aziende di batterie a CO2. Tuttavia, le aziende di batterie innovative con una storia di rapida adozione di nuove tecnologie potranno sfruttare i progressi nel settore per sviluppare nuove chimiche, se necessario.

1. BYD Company Limited (BYDDF)

BYD è la principale azienda di veicoli elettrici in Cina, con 1.860.000 veicoli venduti nel 2022, €20 Miliardi di fatturato nel 2022, ed è una delle più grandi aziende private del paese.

L’azienda è iniziata come il primo fornitore di batterie al litio per Motorola nel 2000 ed è entrata nel settore automobilistico già nel 2003. Oggi è attiva anche in autobus, treni, semiconduttori e sistemi di accumulo energetico a batteria.

Fonte: Byd Company

Grazie alle sue dimensioni, “BYD Supera LG per Diventare il Secondo Fornitore Mondiale di Batterie per Veicoli Elettrici”

Oltre al mercato dei veicoli elettrici, BYD, come Tesla (TSLA ), sta cercando di utilizzare la sua enorme fornitura di batterie per altri mercati. Ha lanciato in particolare il Battery-Box per uso residenziale, usando una chimica di Fosfato di Ferro e Litio senza cobalto. Offre anche il suo pacchetto New Energy, che combina solare e soluzioni di accumulo.

Unendo Battery-Box e New Energy, Il Sistema di Accumulo Energetico (ESS) di BYD ha spedito più di 14 GWh di capacità di accumulo.

BYD possiede l’intera catena di approvvigionamento, dalle celle minerarie alle batterie complete. Questo le ha permesso di creare una soluzione di riciclo proprietaria, usando vecchie batterie di auto come stoccaggio fisso o riciclando interamente le batterie attraverso una nuova suddivisione nel 2022.

BYD sta ora espandendo all’estero, specialmente in Europa, con piani per quadruplicare la sua ancora piccola quota di mercato, così come produzione locale in Ungheria, con una capacità di 150.000 veicoli all’anno che potrebbe essere raddoppiata a 300.000. Questo potrebbe mettere pressione sui produttori locali e su Tesla, con un prezzo ora nella fascia delle auto a combustione.

L’espansione negli Stati Uniti è più cauta poiché la rivalità USA-Cina continua a intensificarsi, con una tariffa del 100% imposta sulle auto cinesi nella primavera 2024.

Fonte: BYD

Con forti prospettive di crescita in Sud America, Asia ed Europa, nonché una posizione dominante in Cina, il mercato leader per i veicoli elettrici, l’azione di BYD è l’alternativa meno famosa e a valutazione più bassa rispetto a Tesla.

2. Contemporary Amperex Technology Co., Limited (300750.SZ)

La cinese CATL è di gran lunga la più grande azienda di batterie al mondo se giudicata dal volume di batterie. Nel 2022 ha prodotto quasi la metà delle batterie mondiali in GWh.

Possiede anche alcune delle batterie al litio ferro fosfato più avanzate, che potrebbero essere una soluzione per creare batterie più economiche e “sufficientemente dense” per veicoli elettrici a basso costo.

L’expertise di CATL nella chimica delle batterie si estende anche ad altre opzioni. In particolare, l’impressionante batteria al sodio da 160 Wh/kg è stata annunciata nel 2021. Sostituire il litio con sodio abbondante e a basso costo offre un’alternativa al litio, il cui prezzo è stato molto volatile e alto negli ultimi anni. E per le applicazioni che richiedono ancora il litio, CATL sta anche investendo 1,4 Mrd per sviluppare la produzione di litio in Bolivia.

Ma per quanto riguarda le prestazioni delle batterie, CATL è all’avanguardia del progresso. Prima, ha annunciato una batteria ultra-durevole da 330 Wh/kg “milioni di miglia” che si carica all’80% in 5 minuti ed è pronta per la commercializzazione. Questa batteria dovrebbe essere utilizzata da Tesla in futuro e diventerà il nuovo standard per veicoli elettrici ad alte prestazioni.

Ha inoltre annunciato recentemente una batteria “condensata” da 500 Wh/kg, che sarebbe sufficientemente densa da alimentare veicoli elettrici a lungo raggio e aerei. Dichiara inoltre di aver trovato un modo per far sì che le batterie gestiscano meglio le condizioni di freddo , ma questo è ancora una debolezza della tecnologia e un problema per i veicoli elettrici nei paesi freddi.

I leader nei veicoli elettrici come Tesla e BYD, o nuovi ambiziosi come Toyota, potrebbero cercare di sviluppare la propria tecnologia di batterie come vantaggio unico. Ma il resto dell’industria automobilistica, incluse le case tedesche, americane e giapponesi, sta cercando partner per tenere il passo nella corsa alle batterie avanzate. Questo include in particolare Ford, Nio, BAIC, Volvo & BMW, Honda, e Mercedes Benz.

CATL ha il volume di produzione per beneficiare al massimo delle economie di scala nella fabbricazione di batterie. Il suo grande volume di vendite alimenta direttamente l’expertise scientifica e un ampio budget R&D, consentendo più innovazioni. Non essendo un produttore di automobili, è anche un partner migliore per la maggior parte dell’industria rispetto ai concorrenti diretti come BYD e Tesla.

Per ora, l’azienda si è concentrata principalmente sui veicoli elettrici. Potrebbe orientarsi verso batterie su scala di utilità man mano che la produzione di energia rinnovabile in Cina cresce e la tecnologia matura.

Nel complesso, questo costituisce un argomento convincente perché CATL rimanga il leader mondiale nella produzione di batterie. Tuttavia, le crescenti tensioni tra USA e Cina non dovrebbero essere completamente dimenticate, e la sua azione potrebbe rimanere intrappolata nel mezzo della lotta di potere tra le due più grandi economie del mondo.