Per gran parte dell’ultimo decennio, i perovskiti sono stati indicati come il futuro dei pannelli solari, ma la commercializzazione è stata lenta e solo pochi produttori sono disposti a testare linee pilota. Nell’accumulo di energia, invece, una tecnologia diversa sta andando nella direzione opposta: non appena i progetti agli ioni di sodio sono stati proposti come alternative alle batterie al litio, i produttori hanno iniziato ad avviare la produzione e a ottenere ordini.

“È stato divertente”, ha detto Randy Selesky, chief commercial officer di ESS Inc. “Sono in questo mercato da molto tempo e non ho visto il mercato adottare davvero qualcosa così rapidamente.”

Per un mercato un tempo rappresentato soprattutto dalle batterie al piombo-acido per la vita fuori rete, l’attuale industria globale dell’accumulo di energia è dominata dal litio, escludendo l’idroelettrico a pompaggio, e sta crescendo rapidamente mentre le utility installano batterie per spostare la produzione solare ed eolica delle ore diurne verso i picchi serali. All’interno della quota del litio, il litio-ferro-fosfato (LFP) è diventato la chimica più installata nelle applicazioni su scala di rete e residenziali, rappresentando l’80% dei nuovi sistemi di accumulo nel mondo nel 2023 — una chimica sviluppata per la prima volta all’University of Texas at Austin negli anni ’90, prima che la produzione si ampliasse in Cina. Sebbene le batterie al litio abbiano contribuito all’espansione del settore, alcune delle loro caratteristiche restano limitanti.

Sebbene le batterie LFP siano molto più sicure e meno soggette al thermal runaway rispetto alle precedenti chimiche al litio, alcune applicazioni non possono comunque tollerare il loro lieve rischio di incendio. Le batterie al litio funzionano inoltre al meglio entro un intervallo di temperatura ristretto, e l’energia ausiliaria necessaria per far funzionare refrigeratori e ventole può rendere non sostenibili alcuni progetti in determinate aree. Inoltre, la catena di fornitura del litio è dominata dalla Cina, il che rende difficile costruire una filiera di accumulo energetico completamente domestica.

Lo ione di sodio non è una novità. La chimica è stata studiata nei laboratori di ricerca già negli anni ’80, prima che il successo commerciale degli ioni di litio la mettesse in secondo piano, e rimase in gran parte dormiente fino a quando CATL, il maggiore produttore di batterie al mondo, presentò la sua cella agli ioni di sodio di prima generazione nel 2021. Da allora, i pacchi batteria agli ioni di sodio sono entrati in produzione di serie in piccole auto elettriche urbane vendute in Cina, inclusi modelli del costruttore JAC.

Lo ione di sodio offre un’alternativa. Realizzate con sodio — un elemento non tossico tra i più abbondanti nella crosta terrestre e componente principale del comune sale da cucina — le batterie al sodio possono essere prodotte in modo simile alle batterie al litio, utilizzando celle, moduli e sistemi finali della stessa dimensione. Operano inoltre in un ampio intervallo di temperatura, da -40°F a 140°F senza degradazione della potenza in uscita, eliminando la necessità di sistemi HVAC. E poiché non dipendono da minerali critici, la produzione di batterie al sodio potrebbe teoricamente essere collocata negli Stati Uniti, in Europa, in Australia o altrove.

All’inizio di quest’anno, Morgan Stanley Research ha stimato che le batterie agli ioni di sodio avrebbero detenuto una quota di mercato del 2% per installazioni nel 2027, per poi salire al 20% nel 2030 e al 37% nel 2035. Due chimiche — sodium chromium oxide (NCO) e sodium iron-phosphate pyrophosphate (NFPP) — sembrano essere in testa per guidare il mercato nel prossimo decennio. NCO offre una maggiore densità energetica, mentre NFPP è più economica da produrre, ma entrambe possono rappresentare una valida alternativa al litio, ha detto Darren Tan, cofondatore e CEO dello sviluppatore di celle al sodio Unigrid. Le celle agli ioni di sodio immagazzinano in genere meno energia in rapporto al peso rispetto alle chimiche al litio, un limite che conta soprattutto nei veicoli elettrici e molto meno nell’accumulo stazionario, dove massa e peso hanno meno penalità — uno dei motivi per cui i sistemi su scala di rete sono il primo grande obiettivo della tecnologia.

“Le nuove tecnologie servono sempre ad aprire nuovi mercati o nuove applicazioni”, ha detto Tan. “Quando incontriamo clienti che già usano LFP per le loro applicazioni, diciamo loro che stanno facendo un ottimo lavoro e dovrebbero continuare così, a meno che non abbiano problemi specifici come potenza insufficiente o sicurezza insufficiente, durata non abbastanza lunga, necessità di funzionare al freddo o in caldo estremo. È allora che interveniamo per risolvere questi problemi.”

Il mercato degli ioni di sodio prende forma

Le promesse della tecnologia agli ioni di sodio hanno attirato operatori da tutto il mercato dell’accumulo di energia. ESS, pioniera delle batterie a flusso, ha mostrato interesse e rilascerà il suo primo progetto al sodio su scala di rete il prossimo anno. Selesky ha detto che il passaggio al sodio non rappresenta un allontanamento dalle batterie a flusso di lunga durata, ma l’aggiunta di un’altra alternativa al litio all’offerta dell’azienda.

“Il litio rappresenta ancora il 95% del mercato, nella fascia da due a otto ore. Questo è il primo prodotto che abbiamo visto in grado di competere direttamente con gli impieghi tradizionali degli ioni di litio”, ha detto. “Abbiamo visto un’opportunità per puntare su quel 95% del mercato, sfruttando i nostri 14 anni di [esperienza] nella capacità di eseguire installazione, integrazione e supporto alla manutenzione continua.”

Selesky ha detto che ESS sposterà la propria R&D verso una batteria a flusso con scarica da 16 a 48 ore, perché esistono ancora molte opportunità in cui l’accumulo di lunga durata è necessario.

“Lo vediamo come un’occasione perfetta per rilanciare l’iron-flow”, ha detto. “Quando si parla di lunga durata, si sta creando un mercato, e quel mercato è ancora in fase di costruzione. [Lavorare con il sodio] ci offre l’opportunità di entrare nel volano e iniziare davvero a far uscire prodotti.”

ESS utilizzerà celle NFPP della startup Alsym nel suo sistema di accumulo AC da 1,2 MWh. Alsym, sviluppatore di celle agli ioni di sodio con sede a Boston, sta producendo una piccola quantità di prodotto sulla East Coast, e ESS assemblerà le celle nel sistema di accumulo “Bridge” nel suo sito produttivo in Oregon.

“[NFPP] segue le stesse caratteristiche che ESS ha seguito fin dalla nascita — nessun rischio di incendio ed è sicura”, ha detto Selesky. “Il nostro primo lancio è nel 2027, e poi faremo un secondo lancio, che aumenterà la densità, alla fine del 2028. È così veloce che si sta muovendo questa tecnologia. Riesco già a vedere cosa c’è nella R&D che uscirà tra tre anni.”

Il ritmo di sviluppo è così rapido che Peak Energy, azienda fondata nel 2023, sta già avviando una produzione multigigawattora. L’azienda è sulla buona strada per iniziare a consegnare il suo sistema di accumulo GS1 prodotto a Sacramento entro metà 2027.

Brandon Kelly, chief scientist di Peak Energy, ha detto che la rapida ascesa dell’azienda faceva parte del piano originario.

“L’approccio di Peak è arrivare rapidamente al prodotto, non sviluppare in laboratorio per 10 anni e poi lanciare un prodotto e cercare un mercato”, ha detto. “C’è una forte domanda di mercato, e c’è una tecnologia che, grazie alla chimica di base, consente un prodotto molto migliore per soddisfare quella domanda — dal prodotto stesso, alla catena di fornitura e alla sicurezza energetica qui negli Stati Uniti.”

Il GS1 è un sistema NFPP da 3,1 MWh, che Kelly ha definito “perfetto per l’accumulo su scala di rete”. Il principale punto di forza di Peak Energy è il raffreddamento passivo delle batterie al sodio, che elimina refrigeratori e ventole dal progetto.

“[Con i refrigeratori,] ci sono parti mobili, c’è refrigerante, liquido di raffreddamento, filtri, ventole, tantissimo rumore. È fantastico che possiamo farlo, e sono contento che stia abilitando molte cose. Ma sono soluzioni ingegneristiche che dobbiamo adottare per il litio per adattarlo all’applicazione”, ha detto. “Poiché questa versione dello ione di sodio è più tollerante alle temperature, possiamo semplicemente lasciarla scaldare di più e raggiungiamo comunque la durata prevista. Anche nel nostro sistema passivo siamo ancora all’85% di stato di salute dopo 20 anni. Gli ioni di litio, anche con raffreddamento a liquido, sono intorno al 65%. E con il sodio non ci sono parti mobili, quindi la manutenzione si riduce molto. È una semplicità bellissima, resa possibile fino al livello della chimica.”

Spazio di crescita nel residenziale

Sebbene gran parte dell’attenzione nel mercato dell’accumulo sia rivolta ai sistemi su scala di rete, anche il mercato residenziale può beneficiare dei progetti al sodio.

Unigrid, una società di R&D sulle celle agli ioni di sodio nata all’University of California San Diego, sviluppa la tecnologia silenziosamente dall’inizio del decennio. L’azienda ha appena annunciato una partnership con il produttore Syntropic Power per realizzare batterie NCO negli Stati Uniti.

“Risponde a tutti i requisiti. Ha un’ottima durata ciclica, ottima sicurezza, ottima potenza, ottimo costo”, ha detto Tan della chimica NCO. “L’unico svantaggio è che non è disponibile in Cina, quindi non la si può semplicemente acquistare sul mercato. Lavoriamo con le fonderie per sviluppare questo nuovo processo produttivo. Il fatto che non sia disponibile significa anche che saremo gli unici a fornirla, quindi questo è uno dei nostri principali vantaggi.”

Unigrid sta testando una batteria NCO. Credito: Unigrid

La produzione agli ioni di sodio è così simile a quella delle batterie al litio che molti dei principali operatori del litio — BYD, CATL e Hithium — stanno rapidamente adattando le linee esistenti per produrre design al sodio. Ma questo significa anche che stanno concentrando maggiormente gli sforzi sulla scalabilità delle batterie al sodio su scala di rete, che tendono a privilegiare le chimiche NFPP. Con il focus di Unigrid sulla chimica NCO, Tan ha detto che l’azienda guarda al meno affollato mercato dell’accumulo residenziale.

“In Cina non esiste un mercato residenziale, quindi i principali operatori cinesi non dominano questo spazio. È anche il motivo per cui le batterie residenziali sono storicamente inaccessibili”, ha detto. “Hai batterie su scala utility che competono per pochi centesimi sul dollaro, e poi hai [batterie residenziali] che sono ancora a $10,000 e oltre. Abbiamo capito che questa era un’opportunità per noi di intervenire e cambiare lo status quo. Lo ione di sodio è un reset.”

Unigrid ha sviluppato un prototipo di batteria residenziale, la Na+Casa da 9.25 kWh, che può funzionare in temperature estreme senza dispositivi di raffreddamento esterni e ha una durata di oltre 10,000 cicli al 100% di profondità di scarica. In modo singolare, il valore di capacità di 9.25 kWh è stato determinato dagli attuali codici antincendio della National Fire Protection Association, che non hanno ancora tenuto il passo con lo sviluppo degli ioni di sodio. Le batterie al sodio sono ancora considerate nella categoria “all others” (anziché piombo, litio o flusso) e sono limitate a 10 kWh.

La capacità di 9.25 kWh di una singola unità può essere inferiore ai modelli al litio da 15 kWh oggi presenti nel mercato residenziale, ma Tan ha detto che le batterie al sodio eccellono in altri aspetti e dovrebbero comunque essere considerate.

“A differenza degli ioni di litio, dove una grande parte del costo è data dal litio e dai materiali critici, negli ioni di sodio la situazione è molto ribaltata”, ha detto Tan. “Le materie prime per gli ioni di sodio sono estremamente economiche, e la maggior parte [del costo] è nella produzione. Questo significa che il potenziale di riduzione dei costi degli ioni di sodio è molto maggiore. Oggi è ancora più costoso del litio, ma mi aspetto che nei prossimi cinque-dieci anni scenderà molto bruscamente.”

Le aziende che producono batterie al sodio potrebbero già mantenere le promesse, ma presto potrebbero davvero conquistare il mercato dell’accumulo di energia.