Il Futuro dello Stoccaggio di Energia – Tecnologia delle Batterie su Scala di Utilità

La Rete Elettrica ha Bisogno di Batterie

Le batterie sono passate da un componente economico per piccoli dispositivi elettronici a un costoso componente chiave nella rivoluzione dei veicoli elettrici. Ma esiste un altro segmento oltre alla mobilità che richiede una quantità sempre più grande di capacità di batteria: la rete elettrica.

Le energie rinnovabili stanno crescendo come parte della generazione totale di energia elettrica. Tuttavia sono anche più intermittenti rispetto agli impianti basati sui combustibili fossili, poiché producono energia principalmente quando il sole splende o il vento soffia. Questo potrebbe non coincidere con i momenti di picco di consumo, spesso la sera o in inverno. La rete elettrica non immagazzina energia, ma deve essere bilanciata tra produzione e consumo in ogni momento.

Quindi, più è la generazione di rinnovabili, più batterie saranno necessarie per mantenere stabile la rete elettrica. Questo è un settore importante di nuovi investimenti energetici, con progetti di batterie su scala di utilità programmati per più che triplicare la capacità attuale entro il 2025.

Fonte: EIA

Per ora, molti di questi parchi di batterie stanno utilizzando batterie al litio‑ioni. Ma questo potrebbe cambiare.

Esigenze Diverse

Attualmente, l’industria delle batterie si è evoluta principalmente per soddisfare il mercato dei piccoli dispositivi elettronici e dei veicoli elettrici. Questo perché entrambi condividono requisiti simili per la batteria ideale:

• Piccola e leggera, quindi con alta densità misurata in Wh/kg.
• Funziona in un intervallo di temperatura “normale”.
• Non estremamente sensibile al prezzo.
• Può durare almeno 5‑10 anni, con circa una carica completa al giorno.

Per questo specifico insieme di criteri, finora la tecnologia al litio‑ioni è stata la migliore per le batterie. Questo potrebbe cambiare presto, con possibilità come le batterie a stato solido, a ioni di sodio o le batterie al litio‑ferro‑fosfato (LFP) come alternative potenziali. Puoi leggere di più nel nostro articolo: “Il Futuro della Mobilità – Tecnologia delle Batterie”.

Ma le batterie per la rete elettrica / su scala di utilità hanno esigenze molto diverse.

• Nessun vincolo rigido sul peso. Le batterie non si spostano, quindi un peso che sarebbe insostenibile per un veicolo elettrico non è un problema.
• Nessun vincolo rigido sullo spazio. I parchi di batterie saranno costruiti su terreni a basso costo intorno alle centrali elettriche. Non è necessario impacchettarli strettamente all’interno del telaio di un computer o di un veicolo elettrico.
• Le alte temperature non sono così problematiche. Se una specifica chimica funziona meglio a 200 °C, ciò non cuocerà i passeggeri di un veicolo elettrico. Tuttavia, nella maggior parte dei paesi, le batterie dovranno tollerare il freddo, poiché mantenerle calde in inverno sarebbe molto costoso. È qualcosa con cui le batterie al litio possono avere difficoltà.
• Il costo per ogni Wh è il fattore più importante.
• Più la batteria dura a lungo, più il suo costo può essere ammortizzato nel tempo, con le compagnie di servizi pubblici abituate a investire con un orizzonte di 30‑40 anni.

Considerando le esigenze molto diverse tra i veicoli elettrici e le batterie su scala di utilità, non sorprende che vengano sviluppate nuove tecnologie e nuove chimiche di batterie per offrire soluzioni più convenienti alle compagnie elettriche e agli operatori di rete.

In pratica, possiamo aspettarci che diverse tecnologie di stoccaggio energetico “vincolino” insieme, poiché alcune sono più adatte per l’equilibrio immediato della rete, mentre altre per scale temporali diverse (ore, settimane, intere stagioni).

Fonte: CleanTech

Mentre questo articolo ti fornisce una panoramica dell’argomento, potresti anche voler leggere questo rapporto dettagliato di Ara Ake sui sistemi di stoccaggio energetico stazionario.

Nuove Chimiche di Batterie per Applicazioni su Scala di Rete

Nuove Chimiche Derivate dai Veicoli Elettrici

Costruire batterie è un gioco di scala. I lotti di produzione più grandi, con una catena di approvvigionamento più profonda, possono gestire economie di scala e quindi un costo per Wh più economico.

Per questo motivo, diverse aziende di batterie su scala di utilità stanno puntando su chimiche di batterie a basso costo già utilizzate nei veicoli elettrici per sostituire lo stoccaggio basato su litio‑ioni.

Batterie LFP

Una opzione è LFP (litio‑ferro‑fosfato), un buon candidato per batterie EV a basso costo, e una chimica di batteria che non dipende da cobalto e nichel costosi. Sono anche più durature rispetto al litio‑ioni, rendendole ancora più economiche a lungo termine. Questo è già disponibile in soluzioni pronte su scala di utilità, inclusi leader del settore come CATL o BYD.

Batterie a Sodio‑Ione

Oltre a cobalto e nichel, il litio stesso può essere molto costoso a volte, a seconda delle fluttuazioni del prezzo del litio. Pertanto sostituirlo con sodio abbondante può aiutare a ridurre ulteriormente i prezzi. È leggermente meno denso di energia (Wh/kg) rispetto alle LFP, ma anche più economico, quindi potrebbe essere un candidato ancora migliore per una chimica di batteria in grado di funzionare sia nei veicoli elettrici sia nella rete elettrica.

Batterie a Flusso Redox

Queste categorie di batterie si basano sul processo chimico di ossidazione e riduzione del metallo. Una varietà di metalli diversi può essere usata per le batterie a flusso redox, così come altri tipi di flussi di ioni.

Fonte: CellCube

Batterie Ferro‑Aria

Queste batterie funzionano sfruttando l’ossidazione del ferro (comunemente noto come ruggine). Le batterie producono elettricità ossidando il ferro, per poi invertire il processo consumando elettricità.

Il vantaggio principale è che, utilizzando materiali estremamente economici, queste batterie potrebbero essere estremamente convenienti. I sostenitori di questa tecnologia affermano che le batterie ferro‑aria sarebbero 10 volte più economiche, più performanti e durerebbero 17 volte più a lungo. Lo svantaggio delle batterie, ovvero le loro dimensioni, peso e lentezza di carica/scarica, non dovrebbe essere un problema per le applicazioni su scala di utilità. Aziende come Form Energy stanno già costruendo impianti per la produzione di massa di queste batterie.

Batterie Zinco

Utilizzando un altro metallo economico, queste batterie includono diverse opzioni come chimiche zinco‑bromo, zinco‑manganese o zinco‑aria. Il vantaggio principale di questa tecnologia è la sua capacità di stoccaggio molto lunga, con perdite/scariche molto ridotte. Questo potrebbe renderla un buon candidato per immagazzinare energia eolica, con giorni senza vento che a volte si prolungano per diverse settimane, qualcosa che le tecnologie di batterie con capacità di stoccaggio meno durevoli faticano a compensare. “Le batterie zinco dovrebbero costituire il 10 % del mercato di stoccaggio entro il 2030, secondo l’analista energetico Avicenne Consulting”. Alcune aziende note in questo settore sono Redflow (zinco‑bromo) e Zinc8 (zinco‑aria).

Batterie a Flusso Redox al Vanadio – VRFB

Il vanadio è un metallo principalmente usato oggi nella produzione di acciaio inossidabile. Nelle batterie, potrebbe creare batterie ideali per cicli giornalieri e per livellare la curva di produzione delle rinnovabili durante il giorno, grazie alla capacità di gestire almeno 10 cicli di carica‑scarica al giorno, mantenendo anche una buona capacità di ritenzione fino a 24 ore. La durata della batteria può essere molto lunga, fino a 20‑25 anni, e anche in tal caso sarebbe necessario sostituire solo le parti della struttura plastica, con i componenti metallici quasi interamente riciclabili.

Il settore è molto attivo, con aziende come CellCube, Invinty Energy Systems, Rongke Power e VRB Energy che lavorano su questa tecnologia.

Batterie Sale Marino / Acqua Salata

Questo concetto si basa sul flusso di ioni di sale attraverso una membrana per immagazzinare energia. Alcuna versione di questa batteria prodotta da Salgenx non utilizza nemmeno una membrana, il che riduce costi, complessità e manutenzione, ma utilizza un elettrolita su misura che non si mescola con l’acqua.

Batterie a Metallo Fuso

Il concetto si basa sulla fusione dell’alluminio, un processo molto avido di elettricità; e se potesse essere invertito?

Gran parte dei costi delle batterie deriva dalle difficoltà di produzione. Anodi e catodi devono essere perfettamente separati per evitare cortocircuiti.

In una batteria a metallo fuso, tutti e 3 i componenti principali, anodo, catodo ed elettrolita, sono liquidi. Si separano spontaneamente l’uno dall’altro grazie a diverse densità dei liquidi. Il fatto che non vi siano componenti solidi dovrebbe teoricamente aumentare drasticamente la durata della batteria, oltre a consentirne una carica e scarica molto rapida e una piena riciclabilità.

L’azienda Ambri, che utilizza una batteria a calcio e antimonio, punta a produrre 200.000 celle batteria all’anno nella sua nuova fabbrica entro il 2024, ed è un fornitore di Microsoft dal 2022.

Fonte: Ambri

L’azienda NGK insulator sta anche lavorando su una batteria a sale fuso sodio‑zolfo, e l’azienda FZSoNick sta lavorando su una batteria sodio‑nichel‑cloruro.

Batterie Metallo‑Idrogeno / Nichel‑Idrogeno

Queste batterie ciclicamente trasformano l’idrogeno in acqua e poi ossidano un metallo. Sebbene il nichel non sia l’unico metallo catodico possibile in questa tecnologia (le alternative possono essere manganese, piombo o ferro), è l’opzione più comune e più densa di energia.

Questo è il tipo di batteria utilizzata dalla NASA sulla ISS (Stazione Spaziale Internazionale).

Questa tecnologia avrebbe il vantaggio di essere molto sicura, con zero manutenzione e di gestire un’ampia gamma di temperature (-40 a +60 °C).

Questa tecnologia è particolarmente promossa da Enervenue, che è uscita dalla modalità stealth nel 2020, mostrando una nuova versione della sua batteria con una durata di 30 anni, 30.000 cicli, rilasciata a settembre 2023. Le batterie idrogeno‑manganese sono sviluppate da RFC Power.

Batterie CO2

L’aumento dei livelli di CO2 è la forza trainante dietro la spinta verso le rinnovabili e l’elettrificazione, e quindi anche dietro la crescente necessità di batterie. Sarebbe quindi un po’ ironico che la stessa molecola venga utilizzata per immagazzinare energia rinnovabile.

Noon Energy batteria CO2 divide la CO2 in carbonio e ossigeno per immagazzinare energia. La batteria a flusso è operata a pressioni elevate e temperature comprese tra 50 e 200 bar e 600‑800 °C. Questo tipo di batteria è stata sviluppata per il rover marziano Perseverance.

Questo non deve essere confuso con la “batteria CO2” di Energy Dome, che si basa sul ciclo di liquefazione ed evaporazione della CO2, rendendola non una vera batteria, ma più simile a un sistema di stoccaggio di energia a gas compresso.

Batterie Sodio‑Zolfo

Queste batterie, finora, sono state limitate a applicazioni in cui la batteria è mantenuta a temperature elevate (300 °C). Questo potrebbe non essere un problema per le applicazioni su scala di utilità. Tuttavia, la tecnologia è ancora relativamente nuova e attualmente manca di scala e produzione di massa. Realizzare queste batterie con una durata molto lunga può anche rappresentare una sfida tecnologica.

Batterie Polimeriche

Chiamate anche batterie plastica, questo concetto utilizza polimeri conduttivi al posto del litio o di altri metalli. Il principale vantaggio di questo concetto è che si basa su una produzione semplice e su materiali facilmente disponibili. La batteria risultante sarebbe anche molto duratura e facile da gestire in sicurezza.

Polyjoule, una spin‑off del MIT, è uno dei leader in questa idea. Tuttavia, a lungo termine potrebbe non essere un tipo di batteria in grado di ridurre i costi tanto quanto alcune altre alternative.