BATTERIE DI ACCUMULO – LO STATO DELL'ARTE NELL’ENERGY STORAGE
INTRODUZIONE
I sistemi di accumulo in batteria per impianti solari fotovoltaici ESS (Energy Storage Systems) vengono pubblicizzati come una rivoluzione energetica, un cambio di strategia nel settore del risparmio energetico da fonti energetiche rinnovabili, o semplicemente come un modo per gli utenti finali di ridurre il peso delle loro bollette energetiche. In paesi come l'Italia ci sono notevoli incentivi per chi vuole conservare ed auto-consumare l'energia solare in maniera autarchica, poiché la tariffa di Scambio Sul Posto (SSP) si attesta indicativamente intorno agli 0,132 Euro/kWh, mentre il costo per l'acquisto di energia elettrica è in media di 0,28-0,22 Euro/kWh in progressivo aumento. Questo differenziale di valore tra il costo pagato per l’acquisto dell’energia e quello corrisposto dal GSE per lo Scambio Sul Posto, è diventato una forza trainante ed un grande incentivo per accumulare l'energia solare piuttosto che immetterla nella rete elettrica per poi prelevarla nel momento del bisogno.
Le batterie di storage energetico sono già presenti da tempo sul mercato, ma fino ad oggi sono sempre state utilizzate per soluzioni energetiche stand-alone (off-grid) oppure nel back-up commerciale (UPS). Negli ultimi anni, grazie alla riduzione del costo delle batterie, anche il mercato dei sistemi di accumulo energetico domestico sotto forma di sistemi solari ibridi ha cominciato ad acquisire quote rilevanti di mercato. L'altra forza trainante per l'accumulo di batterie è la sicurezza energetica. Con l'aumento degli eventi climatici estremi dovuti al cambiamento climatico che provocano periodicamente blackout, un sistema di batterie può fornire potenza di back-up immediata per la tua casa o attività che sia. I sistemi residenziali di accumulo in batteria consentono non solo il raggiungimento dell'indipendenza energetica, ma forniscono anche un mezzo per generare ed accumulare energia rinnovabile e pulita.
TECNOLOGIE DISPONIBILI
Per gli impianti solari ibridi e ad isola (off-grid) si utilizzano ancora batterie tradizionali a base di piombo acido (tipo Gel o AGM) tuttavia, negli ultimi anni molte grandi aziende come LG e Samsung hanno iniziato ad occuparsi delle batterie con celle al Litio ad alte prestazioni. La spinta maggiore verso la tecnologia al Lito è arrivata grazie all'enorme enfasi commerciale generata dal lancio di Tesla Powerwall, prodotto che ha reso il mercato consapevole della possibilità di immagazzinare l'energia domestica in modo efficiente ed economicamente sostenibile. In questo articolo cercheremo di confrontare le nuove tecnologie di batteria utilizzando una serie di criteri. Un confronto diretto non è così semplice poiché ogni tecnologia ha un chimismo che dà luogo a comportamenti differenti in funzione delle diverse condizioni di lavoro, prolungandone o diminuendone la capacità di accumulo nel tempo. L'obiettivo primario è quello di confrontare per ciascuna tecnologia la capacità di accumulo energetico, mettendola in relazione con la sua durata ciclica e cercando di evidenziarne sia i vantaggi che gli svantaggi. Le batterie al Piombo acido con elettrolita liquido non verranno prese in considerazione poiché, oltre a richiedere per la loro installazione ambienti con caratteristiche particolari (ventilazione dei locali previsti dalla norma CEI EN 50272-2 e CEI EN 50272-3), necessitano anche elevati livelli di manutenzione. Manutenzione che ha un costo tale da vanificare il differenziale sul costo iniziale dell'investimento. Per fare un confronto accurato, abbiamo confrontato le seguenti tipologie di batteria:
FIAMM – Pb-Gel (TBP+VRLA+SMG) – RES 6.2 / 9.6 / 12.5
AQUION Aqueous Hybrid Ion (AHI) – Sali di Sodio – AHI-S030
PYLON Tech – Ioni di Litio-Ferro-Fosfato (LFP) – US2000B
LG Chem LV – Polimeri di Litio (NMC) – RESU 3.3 / 6.5 / 9.8
LG Chem HV – Polimeri di Litio (NMC) – RESU 7H / 10H
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Le batterie avanzate a ciclo profondo di scarica con tecnologia al piombo acido regolata da valvole (VRLA Valve Regulated Lead Acid), piastra bubolare positiva (TPB Tubolar Plate Battery) ed immobilizzata in elettrolita in gel (SMG Senza Manutenzione Gel), sono una tecnologia ormai collaudata con un tempo di vita elevato. Ci sono molte aziende ben consolidate che producono batterie piombo-acido tubolari di alta qualità (VRLA); una delle più conosciute al mondo è FIAMM.
Una società innovativa che è riuscita a produrre una nuova tipologia di batteria ad un prezzo competitivo è Aquion Energy. Per questo motivo anche questa batteria innovativa agli ioni ibridi acquosi (AHI "Aqueous Hybrid Ion") basata sulla chimica del sodio è stata inserita nel confronto.
Con l’uscita recente delle batterie al Litio Polimero (NMC) di LG Chem, principale concorrente di Tesla e, insieme ai moduli batteria agli ioni di Litio Ferro Fosfato (LiFePO4 o LFP) con chimismo più conosciuto ed ampiamente utilizzato dalla grande casa produttrice Cinese PYLON Technologies Co. Ltd., la tecnologia di accumulo basata sulla chimica del Litio stà prendendo sempre più piede a discapito di tutte le altre. Tesla Powerwall non è stato preso in considerazione poiché non presente nel portfolio prodotti di 0-CO2.
BATTERIE IN DETTAGLIO
PYLONTech US2000B
Le batterie agli ioni di litio ferro fosfato (LiFePO4 o LFP) prodotte da Pylon Technology Co. Ltd. sono state tra le prime batterie al litio disponibili in moduli rack componibili. Sono disponibili moduli batteria composti da un’unica unità (Versione US2000B per sistemi di accumulo operanti a basso voltaggio LV) comprendente sia le celle che il sistema di controllo (BMS Battery Manager System) sia moduli con BMS separato (versione H48050A per sistemi di accumulo operanti ad alto voltaggio HV). Sono oggi disponibili due serie di prodotti ovvero, la serie US2000B studiata per sistemi LV a operanti a 48V e la serie Phantom-S che adotta moduli batteria H48050A adatti ad essere installati su sistemi HV ad alto voltaggio operanti fino ad oltre 400V. Ambedue le serie sono disponibili con le stesse dimensioni standard del singolo modulo da 2,4 kWh in modo tale da consentire un facile assiemaggio qualora si montino più unità in parallelo.
RACK LV No.2 Moduli US2000B con BMS integrato | RACK HV (PHANTOM-X12) No.5 Moduli H48050A + BMS SC05004 |
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Il fosfato ferroso di litio (LFP) è considerato il più stabile tra tutti i composti del litio utilizzati per la fabbricazione delle celle di una batteria, soprattutto a temperature superiori ai 40°C. A riprova di questo, la scheda tecnica delle batterie PYLON Tech ne consente l'utilizzo fino alla temperatura di 50°C. Anche la durata ciclica è più elevata rispetto alle concorrenti infatti, PYLON Technologies dichiara ben 6000 cicli con una profondità di scarica (DoD) dell’80% ed una capacità di residua a fine vita (EOL) pari al 70%.
Compatibilità
I moduli batteria PYLONTech sono spesso ri-marchiati e utilizzati da diversi grandi produttori e distributori solari, tra cui SolaX, Canadian Solar e tanti altri. Per questo motivo, le batterie PYLONTECH sono compatibili con la stragrande maggioranza degli inverter ibridi e ad isola (off-grid). L’elenco di inverter compatibili è in continua crescita ed include: Solax, Sofar, Azzurro, Solar Eclipse e moltissimi altri.
LG Chem RESU
LG Chem ha recentemente ampliato ed aggiornato la sua gamma di batterie RESU (Residential Energy Storage Unit) con formati a partire dai 3,3 kWh fino ad arrivare ai 9,8 kWh. La nuova gamma a basso voltaggio (LV 48V) include pertanto le unità RESU 3.3, RESU 6.5 e RESU 10 con la possibilità di ampliare il sistema mediante un adattatore che gestisce la potenza fino ad un massimo di 19,6 kWh complessivi.
Mentre la nuova gamma ad alto voltaggio (HV 400V) include le unità RESU 7H e RESU 10H.
La tecnologia LG Chem (come Powerwall) sfrutta la chimica di un polimero di litio nickel-manganese-cobalto (NMC). La nuova gamma di batterie è alloggiata in contenitori compatti (IP55) con BMS integrato garantiti per una vita di 10 anni con una capacità di conservazione minima dichiarata del 60% (EOL) ma dovrebbe essere nell'intervallo 60-80%. Il modulo batteria funziona alla tensione nominale di 51,8V per la versione LV a basso voltaggio e circa 400V per quella ad alto voltaggio HV e può fornire una potenza di uscita continua relativamente elevata.
Compatibilità
Le nuove batterie LG Chem RESU sono compatibili con quasi tutti i principali inverter ibridi e ad isola (off-grid), dando a LG un enorme vantaggio e una grande flessibilità nei confronti delle concorrenti. L’elenco di inverter compatibili è in continua crescita ed include: Solax, SMA, SolarEdge, Schneider, Ingeteam e molti altri.
AQUION Energy
Aquion Energy all'inizio del 2014 ha avviato la produzione di un sistema di batterie innovative basate sulla chimica degli ioni di sodio (acqua salata). Aquion ha sviluppato la tecnologia chimica brevettata agli ioni ibridi acquosi (AHI) che utilizza materiali ampiamente disponibili e non tossici unitamente a tecniche di produzione moderne ed a basso costo. Aquion Energy è il primo produttore di batterie che ha soddisfatto tutti i criteri più rigorosi per ottenere la certificazione cradle to cradle, il che significa che le sue batterie sono le più ecologiche presenti sul mercato. Inoltre, a differenza di molte altre tecnologie di batteria, Aquion sostiene che il sistema di batterie AHI è molto resistente all’eccesso di scarica con una minima o nessuna degradazione. La batteria Aquion è l'unica batteria che può essere scaricata al 100% senza comprometterne durata e capacità di accumulo. Tuttavia una grossa limitazione è legata al fatto che la sua capacità nominale può essere raggiunta solamente con una velocità di scarica lenta di 20 ore (C20). Le batterie sono disponibili in moduli da 2,2 kWh con una tensione nominale di 48 V. La durata dichiarata dal produttore è di 3000 cicli con una capacità di accumulo residua a fine vita pari al 70% (EOL).
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CRITERI DI COMPARAZIONE
Per confrontare con precisione tutte le tecnologie attualmente disponibili, abbiamo selezionato i diversi criteri sotto elencati in ordine di importanza.
- Prezzo di Acquisto per kWh
- Profondità di scarica (DoD), Capacità Residua a Fine Vita (EOL) e Durata Ciclica
- Massima Capacità di Scarica
- Efficienza del Ciclo di Carica/Scarica
- Densità Energetica (peso/potenza)
Prezzo di Acquisto per kWh
Il primo criterio di comparazione è il prezzo per kWh, poiché il costo dell'investimento ed il suo punto di pareggio (BEP Breack Even Point) è uno degli aspetti più importanti per molti utenti.
Profondità di scarica, Capacità Residua a Fine Vita e Durata Ciclica
Il secondo criterio è composto da più parametri che vanno presi in considerazioni abbinati gli uni agli altri poiché la durata ciclica della batteria è quasi sempre funzione della profondità di scarica (DoD) alla quale si intende operare. Questo significa che più profonda è la scarica di una batteria e più corta è la sua durata ciclica. L'energia disponibile per ogni ciclo completo di carica/scarica della batteria (DoD) è un dato che viene comunemente specificato dal costruttore. La durata in anni oppure in cicli (solitamente si considera un ciclo al giorno) della batteria si riferisce sempre a questo valore di profondità di scarica. Tuttavia, la capacità residua a fine vita (EOL End Of Life) di una batteria non è sempre chiara, poiché una batteria non si arresta improvvisamente dopo un certo numero di cicli. Indipendentemente dalla tecnologia utilizzata per sua realizzazione, nel tempo tutte le batterie perdono lentamente la loro capacità di carica.
Lo standard industriale per le batterie al piombo acido è quello di definire i cicli di vita della considerando una EOL pari all'80%; tuttavia i più recenti produttori di accumulatori al Litio come LG Chem, Tesla, Pylon Technologies, ecc., garantiscono le loro batterie abbassando i valori di EOL di 60 o 70%. Occorre ricordare che anche dopo il raggiungimento del valore di EOL la batteria è ancora utilizzabile, ha solamente perso una parte della sua capacità di accumulo energetico.
A complicare ulteriormente lo scenario della comparazione tra le performances delle varie batterie ci sono molte variabili tra cui la temperatura, il tasso di scarica e la carica incompleta (parziale stato di carica). Tali variabili possono incidere molto sia sulle prestazioni che sulla durata di una batteria.
Come linea guida generale è possibile dire che le nuove batterie a base di Litio e Sodio sono progettate per essere scaricate fino al 70-90% della loro capacità nominale, mentre le batterie tradizionali al piombo acido (gel & AGM) non sono generalmente progettate per essere scaricate oltre al 40-50% della loro capacità nominale.
Massima Capacità di Scarica
Il terzo criterio è importante e va messo in relazione sia con il tipo di inverter utilizzato che con l'applicazione specifica. Ad esempio le installazioni ad isola (off-grid) richiedono normalmente un'uscita di picco più elevata in quanto non è disponibile la rete per assistere ad un eventuale carico di spunto elevato.
Efficienza del Ciclo di Carica/Scarica
L’efficienza del ciclo di carica e scarica indica la frazione di energia che viene persa durante l’utilizzo ciclico di una batteria di accumulo. Purtroppo, a causa delle leggi della fisica, il trasferimento di energia da una forma all'altra (nel caso delle batterie dall'energia elettrica a quella elettrochimica) comporta sempre delle perdite. Generalmente le perdite di carica / scarica di una batteria al piombo-acido sono indicativamente pari al 20% mentre per la maggior parte delle nuove batterie a base di litio la quantità di energia persa si aggira intorno al 10%.
Densità Energetica (peso/potenza)
La densità energetica espressa come rapporto tra peso e potenza effettiva della batteria assume un peso rilevante solamente nel momento in cui si debba selezionare una batteria di accumulo energetico per autotrazione. Fatto salvo eventuali particolari problematiche di tipo installativo, in tutte le applicazioni residenziali la batteria si trova ad operare in maniera statica pertanto, tale valutazione assume un’importanza relativa.
Conclusioni
A seguito dei recenti sviluppi legati alla tecnologia al Litio ed ai dati ad oggi disponibili per un confronto, le rispetto a tutte le altre tecnologie messe a paragone, le batterie al Litio appaiono le più performanti sia in termini di prestazioni che di rapporto costo/beneficio. Inoltre, se anche peso e spazio diventano un problema, le batterie LG Chem e le Pylon Tech risultano la migliore opzione.
Nella seguente tabella vengono riassunti i dati tecnici utilizzati per il confronto.
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