Pubblicato originariamente su RMI Outlet, blog del Rocky Mountain Institute
Di Madeline Tyson
Con l'enorme sviluppo degli ultimi anni grazie alla capacità dell'impianto di produzione di batterie agli ioni di litio (Li-ion) e gli impegni a breve termine per ulteriori espansioni, i costi di stoccaggio delle batterie continuano a diminuire drasticamente. I costi in calo, insieme al miglioramento delle prestazioni, stanno consentendo nuove applicazioni di batterie che accelereranno notevolmente la transizione energetica.
Per molti investitori, responsabili politici e pianificatori di sistemi, le caratteristiche delle prestazioni oltre al prezzo che attirano la maggiore attenzione sono spesso metriche come la densità energetica o la sicurezza. Nei prossimi cinque anni, tuttavia, i miglioramenti mirati al degrado della batteria (durata del ciclo) potrebbero essere più critici, non solo per espandere l'adozione dei veicoli elettrici, ma anche per aprire nuove applicazioni per le batterie come i servizi da veicolo a rete, usi di seconda vita per batterie non più adatte alla mobilità e per lo stoccaggio di lunga durata. Queste applicazioni potrebbero cambiare in modo significativo l'economia delle batterie e aprire nuovi orizzonti di opportunità lungo catene del valore precedentemente non sfruttate, in altre parole, cambierebbero il gioco in termini di accelerazione della transizione verso un sistema di energia pulita.
Ciò che molti non capiscono è che le batterie agli ioni di litio includono un'ampia varietà di dispositivi di accumulo di energia elettrochimica. Come spiegato nelle Batterie rivoluzionarie di RMI rapporto, ci sono molti tipi di batterie agli ioni di litio, tutte con caratteristiche di prestazione e compromessi diversi. Paesi, enti di ricerca e produttori stanno investendo in modo sostanziale in ricerca e sviluppo alla ricerca di batterie migliori e ancora più economiche, principalmente agli ioni di litio.
Di recente, è emerso molto clamore sull'affermazione di Tesla di aver sviluppato una batteria chimica agli ioni di litio che può raggiungere un milione di miglia nel corso della sua vita, suggerendo un notevole miglioramento delle prestazioni di degrado. Sebbene l'implicazione più ovvia sia la capacità di guidare per un milione di miglia con la stessa batteria (una caratteristica utile per i taxi robotizzati), i miglioramenti nella durata delle batterie dei veicoli elettrici hanno molte altre implicazioni per l'espansione dei casi d'uso dell'elettrificazione.
Le batterie agli ioni di litio si degradano a causa di diversi fattori:tempo, numero di cicli, profondità del ciclo e temperatura. Le batterie agli ioni di litio ottimizzate per la densità di energia, come i prodotti chimici catodici NMC o NCA, hanno storicamente avuto cicli di vita più brevi se vengono regolarmente scaricate completamente (profondità di scarica del 100%). L'altra chimica agli ioni di litio più comune prodotta oggi è il litio ferro fosfato (LFP), che è molto più pesante e meno denso di energia (non buono per i veicoli leggeri), ma con una durata del ciclo più lunga.
Miglioramenti significativi nel ciclo di vita delle sostanze chimiche agli ioni di litio ad alta densità di energia rappresenteranno un enorme passo avanti verso l'implementazione della ricarica rapida dei veicoli elettrici, delle capacità da veicolo a rete e di installazioni di stoccaggio di maggiore durata, compreso lo sfruttamento delle batterie di seconda vita. Tuttavia, questi miglioramenti pongono anche delle sfide:
Ricarica rapida
La ricarica rapida è una parte cruciale del futuro della mobilità elettrica, poiché è fondamentale che i veicoli elettrici forniscano le stesse, se non migliori, funzionalità e facilità di trasporto che esistono oggi. Tuttavia, i tassi di deterioramento per alcuni tipi di batterie agli ioni di litio sono significativi quando vengono caricati o scaricati rapidamente. I miglioramenti di catodi ed elettroliti che riducono la gravità del deterioramento e prolungano la durata della batteria ridurranno gli effetti negativi della ricarica rapida.
Ricarica da veicolo a rete (V2G)
L'idea che i veicoli possano svolgere un ruolo nel bilanciamento della rete elettrica è eccitante, ma è ricca di sfide. Sia Nissan che Fiat sono impegnate in piloti per testare i modelli V2G. Ancora una volta, le batterie dei veicoli elettrici si decadono con i cicli di carica e scarica. I fornitori di garanzia per le batterie non sono interessati a svalutare le capacità di mobilità di tali beni in cambio di un piccolo rimborso dalla rete elettrica.
Senza miglioramenti nel ciclo della batteria dei veicoli elettrici e nella longevità, il tasso di prezzo necessario per incentivare la ricarica dal veicolo alla rete sarebbe molto probabilmente troppo alto. Per fornire questa capacità di bilanciamento sarebbero probabilmente necessari investimenti diversi e aggiuntivi per lo stoccaggio dell'energia. Ad esempio, l'abbinamento dell'accumulo di energia locale con un'infrastruttura di ricarica rapida potrebbe comunque generare tali vantaggi e allo stesso tempo moderare l'impatto dei picchi di domanda derivanti dalla ricarica rapida. Il potenziale per i soli veicoli elettrici di fornire il bilanciamento della rete distribuito o la resilienza localizzata è improbabile senza significativi miglioramenti delle prestazioni della batteria dei veicoli elettrici.
Archiviazione di lunga durata
La stragrande maggioranza dei progetti di batterie collegate alla rete ha mirato a eventi di stoccaggio di breve durata, ma poiché il costo delle batterie è diminuito, la durata media di tali progetti è aumentata da 1,5 ore nel 2015 a 2,2 ore oggi. Oltre al fatto che l'energia aggiuntiva aggiunge costi ai progetti, gli sviluppatori di progetti di storage agli ioni di litio in genere sovraccaricano anche la quantità di energia di cui hanno bisogno dal 10 al 30 percento. Questa capacità aggiuntiva aiuta a ridurre il numero di volte in cui le batterie sono completamente scariche e può consentire un certo degrado.
Inoltre, le installazioni di maggiore durata spesso danno priorità, ove possibile, alle opportunità di minore durata, inclusi i servizi ausiliari o il trasferimento di energia a breve termine (ad es. 15 minuti). La preferenza degli sviluppatori di batterie e dei proprietari di asset per questi mercati a breve termine può minare i vantaggi di resilienza delle batterie per la rete. Le batterie con maggiore longevità e prestazioni non dovranno avere la stessa capacità del buffer o temere i costi di degradazione della batteria. Di conseguenza, verranno installati progetti di maggiore durata che utilizzeranno più spesso la loro capacità completamente installata in un modo che migliorerà significativamente l'economia del progetto della batteria. I pianificatori di sistema, le autorità di regolamentazione e gli investitori dovrebbero considerare questi attributi durante la progettazione e la selezione dei sistemi.
Batterie di seconda durata per una conservazione di lunga durata
LFP agli ioni di litio ha già un ciclo di vita relativamente lungo ed è una scelta logica per molte installazioni di rete. Tuttavia, il prezzo minimo finale di LFP dovrebbe essere di circa $ 60/kWh in base ai costi dei materiali dei componenti. Questo è probabilmente troppo alto per il tipo di stoccaggio stagionale di lunga durata che sarà necessario per una maggiore penetrazione di energia rinnovabile. Ciò è particolarmente vero nelle parti più fredde del mondo che affrontano i picchi di fabbisogno energetico invernale con disponibilità di risorse limitata, a volte per lunghi periodi di tempo.
Form Energy ha affrontato questo problema con la sua tecnologia proprietaria innovativa che mira a un costo di capitale inferiore a $ 10/kWh. Di recente l'azienda ha firmato un accordo per dimostrare un progetto di stoccaggio della durata di 150 ore con Great River Energy, che rappresenta un'importante pietra miliare e un progresso per la transizione energetica.
Le batterie agli ioni di litio di seconda vita potrebbero essere un'altra soluzione economica per lo stoccaggio di lunga durata, poiché il loro costo inferiore potrebbe raggiungere la soglia necessaria. Ciò richiederà un potenziamento dell'ecosistema agli ioni di litio per includere la raccolta, i test, il riciclaggio e il trattamento delle batterie.
Le attuali batterie agli ioni di litio potrebbero essere difficili da monetizzare per un'ampia selezione di applicazioni di seconda vita a causa della variabilità della salute delle batterie e del drastico calo della durata e della sicurezza dei ciclisti. Ad oggi, le batterie agli ioni di litio di seconda vita sono state utilizzate principalmente per applicazioni di resilienza sulle torri di telecomunicazioni, ma alcune aziende stanno testando applicazioni di rete di seconda vita. Man mano che i mercati per lo stoccaggio di lunga durata maturano, sarà necessaria una maggiore longevità della batteria per fornire fiducia nel contenuto di energia rimanente delle batterie per veicoli elettrici riproposte in modo che corrisponda al valore rimanente in base al caso d'uso. Inoltre, il consolidamento del mercato degli ioni di litio verso un minor numero di prodotti chimici e standard condivisi tra i produttori aiuterebbe notevolmente i mercati della seconda vita a monitorare e lavorare su questo problema.
Una visione lungimirante della rete elettrica include ricarica rapida, capacità da veicolo a rete e accumulo di energia a lunga durata che include batterie di seconda vita. Questi casi d'uso emergenti saranno notevolmente accelerati con una batteria EV che ha migliorato la longevità. Investitori, pianificatori di sistemi e responsabili politici dovrebbero considerare l'impatto del ciclismo sull'abilitazione di casi d'uso futuri quando cercano di incentivare e investire in soluzioni di archiviazione. Ciò dovrebbe includere la creazione di una solida catena di approvvigionamento delle batterie che sia sempre più standardizzata e in grado di monitorare e confrontare la durata residua della batteria nelle batterie di seconda vita.
