Batterie: quali sono le opzioni disponibili?

Mentre nel mondo si investe sempre di più sulle fonti di energia rinnovabili e sull'accumulo di energia su scala di rete, è utile conoscere le diverse tecnologie delle batterie disponibili. Ogni tipo di batteria offre caratteristiche uniche, in grado di adattarsi alle applicazioni specifiche, dalla stabilizzazione della rete ai sistemi di alimentazione di riserva. In questo post esamineremo i principali tipi di batterie stazionarie, le caratteristiche chimiche sottostanti, le applicazioni tipiche e i vantaggi e gli svantaggi delle varie tecnologie. 

Ma, prima di esaminare i diversi tipi di batteria, è necessario fare una premessa generale. Poiché le batterie sono dispositivi elettrochimici, sono inevitabilmente soggette alle leggi che regolano la velocità delle reazioni chimiche. In particolare, tutte le batterie sono influenzate dalla temperatura. Le temperature elevate riducono la durata della batteria, mentre le basse temperature influiscono negativamente sulla capacità e sulle prestazioni. Pertanto, le batterie che devono funzionare in condizioni insolite di caldo o freddo devono essere scelte e dimensionate con particolare attenzione.

 

Batterie al piombo acido

Le batterie al piombo acido si avvalgono di una delle tecnologie più antiche e consolidate per le batterie ricaricabili. Si utilizzano da oltre un secolo in un'ampia gamma di applicazioni, dall'avviamento dei veicoli ai gruppi di continuità, passando per l'accumulo di energia fuori rete.

Elementi chimici

Le batterie al piombo acido sono costituite da piastre positive al diossido di piombo (PbO2) e piastre negative al piombo spugnoso (Pb), immerse in un elettrolito a base di acido solforico (H2SO4).

Tipologie

1. Piombo acido ventilato (VLA): note anche come batterie al piombo acido inondato, richiedono regolari ricariche di acqua.
2. Piombo acido regolato da valvola (VRLA): batterie sigillate, inclusi i tipi con fibra di vetro assorbente e gel. Richiedono test regolari poiché funzionano in modalità elettrolitica sottoalimentata.

Applicazioni tipiche

• Alimentazione di riserva per telecomunicazioni e data center
• Sistemi di energia rinnovabile fuori rete e collegati alla rete elettrica
• Gruppi di continuità (UPS)
• Stazioni di ricarica per veicoli elettrici
• Avviamento di veicoli a benzina e diesel

Vantaggi

• Tecnologia consolidata e lunga tradizione: ampia conoscenza in materia ed esperienza nell'uso e nella manutenzione.
• Costo iniziale ridotto: le batterie al piombo acido rappresentano spesso la scelta più economica per le esigenze di accumulo di energia a breve termine.
• Altamente riciclabile: quasi il 100% di una batteria al piombo acido può essere riciclato, rendendo questo tipo di batteria una scelta ecologica.
• Affidabile e tollerante al sovraccarico: se gestite adeguatamente, le batterie al piombo acido possono resistere a sovraccarichi occasionali senza subire danni significativi.

Svantaggi

• Minore densità di energia rispetto alle tecnologie più recenti: richiedono più spazio per accumulare la stessa quantità di energia rispetto ai modelli di batteria più avanzati.
• Ciclo di vita più breve, soprattutto in caso di scariche profonde: le scariche profonde regolari possono ridurre significativamente la durata delle batterie al piombo acido.

 

Batterie agli ioni di litio

Grazie all'elevata densità energetica e all'efficienza, le batterie agli ioni di litio hanno rivoluzionato l'accumulo di energia. Sono diventate sempre più popolari per l'accumulo di energia su scala di rete, i veicoli elettrici e i prodotti elettronici portatili.

Elementi chimici

Le batterie agli ioni di litio utilizzano un composto di litio come elettrodo positivo e, in genere, il grafite come elettrodo negativo. L'elettrolita è un sale di litio immerso in un solvente organico.

Tipologie

1. Ossido di litio nichel manganese cobalto: buon equilibrio tra densità di energia e potenza.
2. Litio ferro fosfato: vantaggi in termini di sicurezza e durata.
3. Ossido di litio nichel cobalto alluminio: elevata densità energetica.
4. Ossido di litio manganese: vantaggi in termini di stabilità termica e sicurezza.

Applicazioni tipiche

• Accumulo di energia su scala di rete e stabilizzazione della rete
• Veicoli elettrici e veicoli elettrici ibridi
• Sistemi di accumulo di energia residenziali e commerciali
• Elettronica e utensili elettrici portatili

Vantaggi

• Elevata densità energetica: consente di adottare soluzioni di accumulo di energia più compatte e leggere, fondamentali per applicazioni come i veicoli elettrici.
• Lunga durata: molte batterie agli ioni di litio sono in grado di resistere a migliaia di cicli di caricamento/scaricamento, aumentando la convenienza a lungo termine.
• Velocità di autoscarica ridotta: possono mantenere la carica per periodi più lunghi quando non vengono utilizzate, caratteristica che rende queste batterie idonee applicazioni di uso intermittente.
• Nessun effetto memoria: a differenza di alcune tecnologie meno recenti, le batterie agli ioni di litio non devono scaricarsi completamente prima della ricarica.
• Capacità di ricarica rapida: caratteristica particolarmente utile per le applicazioni che richiedono tempi di recupero rapidi come i veicoli elettrici.

Svantaggi

• Costo iniziale più elevato: sebbene i prezzi siano in calo, le batterie agli ioni di litio sono più costose rispetto alle batterie al piombo acido.
• Potenziali problemi di sicurezza (instabilità termica): in rari casi, le batterie agli ioni di litio possono surriscaldarsi e provocare incendi.
• Richiedono sistemi sofisticati di gestione delle batterie: per evitare i sovraccarichi, le scariche eccessive e i surriscaldamenti e per bilanciare le celle, sono necessari sistemi di controllo complessi.
• Prestazioni ridotte ad alte temperature: l'esposizione a temperature elevate può accelerare la perdita di capacità e ridurre la durata complessiva della batteria.

 

Batterie a flusso

Le batterie a flusso sono una tipologia unica di batteria ricaricabile in cui l'energia viene immagazzinata in un elettrolito liquido. Offrono i vantaggi della potenza di disaccoppiamento e della capacità energetica, caratteristiche che rendono queste batterie altamente scalabili per le applicazioni di accumulo di energia su larga scala.

Elementi chimici

Il tipo più comune è la batteria a flusso di vanadio Redox (VRFB), che utilizza ioni di vanadio in diversi stati di ossidazione. Altre sostanze chimiche includono zinco-bromo e ferro-cromo.

Applicazioni tipiche

• Accumulo di energia su larga scala
• Integrazione delle energie rinnovabili
• Sistemi micro-rete e fuori rete
• Gestione dell'energia industriale e commerciale

Vantaggi

• Lunga durata: le batterie a flusso resistono normalmente a decine di migliaia di cicli di caricamento/scaricamento senza degradazioni significative.
• Possono essere scaricate completamente senza danni: a differenza di molti altri tipi di batterie, le batterie a flusso non vengono danneggiate dagli scaricamenti completi.
• Facilmente scalabili aumentando le dimensioni del serbatoio: La capacità di energia può essere aumentata semplicemente ricorrendo a serbatoi elettrolitici più grandi, senza sostituire i componenti di alimentazione.
• Rischi di incendio inferiori rispetto agli ioni di litio: gli elettroliti acquosi utilizzati nella maggior parte delle batterie a flusso sono non infiammabili, riducendo i problemi di sicurezza.

Svantaggi

• Minore densità energetica: le batterie a flusso richiedono più spazio rispetto alle tecnologie come gli ioni di litio per immagazzinare la stessa quantità di energia.
• Sistema complesso: la necessità di ricorrere a serbatoi elettrolitici di grandi dimensioni rende le batterie a flusso più complesse dal punto di vista meccanico rispetto alle batterie a stato solido.
• Costi iniziali più elevati: la complessità dei sistemi di batterie a flusso si traduce spesso in costi iniziali più elevati, anche se la maggiore durata può compensare questo problema.
• Rischio di perdite elettrolitiche: un contenimento e una manutenzione adeguati sono fondamentali per prevenire la contaminazione ambientale provocata dalle perdite di elettroliti.

 

Batterie agli ioni di sodio

Le batterie agli ioni di sodio sono una tecnologia emergente che offre un'alternativa potenzialmente più sostenibile alle batterie agli ioni di litio. Utilizzano materiali abbondanti e a basso costo e potrebbero migliorare notevolmente le future applicazioni di accumulo di energia.

Elementi chimici

Simili agli ioni di litio, ma utilizzano ioni di sodio al posto degli ioni di litio per il trasferimento della carica. Il catodo è in genere un ossido metallico stratificato, mentre l'anodo è spesso in carbonio duro.

Applicazioni tipiche

• Accumulo di energia su scala di rete
• Accumulo di energia residenziale e commerciale
• Veicoli elettrici
• Elettronica portatile (in fase di sviluppo)

Vantaggi

• Materie prime più abbondanti ed economiche: il sodio è molto più abbondante del litio, con potenziali vantaggi in termini di costi ridotti e produzione più sostenibile.
• Potenzialmente più ecologiche: i materiali utilizzati nelle batterie agli ioni di sodio sono generalmente meno tossici e più facili da riciclare rispetto a quelli delle batterie agli ioni di litio.
• Possono essere scaricate completamente per un trasporto più sicuro: a differenza delle batterie agli ioni di litio, le batterie agli ioni di sodio possono essere scaricate completamente, semplificando la logistica per il trasporto e l'accumulo.

Svantaggi

• Densità energetica inferiore rispetto agli ioni di litio: le batterie agli ioni di sodio potrebbero non essere adatte per le applicazioni in cui il peso e le dimensioni sono fattori critici.
• La tecnologia è ancora nella fase iniziale della commercializzazione: poiché rappresentano una nuova tecnologia, le batterie agli ioni di sodio devono ancora dimostrare l'affidabilità e le prestazioni a lungo termine nelle applicazioni reali.
• Dati di riferimento limitati per le applicazioni su larga scala: la mancanza di dati estesi sul campo rende difficile prevedere le prestazioni e i potenziali problemi a lungo termine.

 

Batterie a base di nichel

Anche se meno comuni nelle nuove installazioni, le batterie a base di nichel continuano a essere utilizzate in alcune applicazioni stazionarie. Offrono prestazioni affidabili e sono in grado di adattarsi a condizioni ambientali difficili.

Elementi chimici

Le batterie a base di nichel utilizzano l'ossidrossido di nichel (NiOOH) come elettrodo positivo. L'elettrodo negativo e l'elettrolita cambiano a seconda del tipo di batteria. Durante la scarica, l'elettrodo in ossidrossido di nichel viene ridotto in idrossido di nichel, mentre l'elettrodo negativo viene ossidato. Questo processo viene invertito durante la ricarica.

Tipologie

1. Nichel-cadmio (NiCd): note per la durata.
2. Nichel-metallo idruro (NiMH): maggiore densità energetica rispetto al NiCd, senza l'uso di cadmio tossico.

Applicazioni tipiche

• Sistemi di alimentazione di riserva industriali
• Segnalazione ferroviaria
• Avvio e alimentazione di emergenza per i velivoli
• Sistemi di telecomunicazione remoti

Vantaggi

• Resistenti e durevoli: le batterie a base di nichel sono in grado di resistere a condizioni difficili, incluse le sollecitazioni fisiche.
• Buona durata: con una manutenzione adeguata, le batterie al nichel possono durare svariati anni e migliaia di cicli.

Svantaggi

• Densità di energia inferiore rispetto agli ioni di litio: questa caratteristica le rende meno adatte per le applicazioni in cui lo spazio e il peso sono aspetti essenziali.
• Effetto memoria (soprattutto nel caso del NiCd): i cicli di scaricamento parziale possono provocare la perdita della capacità utilizzabile, richiedendo cicli di scaricamento completi periodici.
• Problemi ambientali associati al cadmio nelle batterie NiCd: la natura tossica del cadmio ha provocato l'applicazione di restrizioni per l'uso delle batterie NiCd in molte aree geografiche.

 

Importanza dei test appropriati

Ognuna di queste tecnologie di batterie richiede un regime di test specifico per garantire prestazioni, sicurezza e durata ottimali. I metodi e la frequenza dei test variano in modo significativo tra i diversi tipi di batteria. Ad esempio:

• le batterie al piombo acido richiedono spesso misurazioni regolari del peso specifico, test di capacità e test ohmici per valutarne lo stato di salute.
• Le batterie agli ioni di litio traggono vantaggio dal monitoraggio sofisticato dello stato di salute e dai test di impedenza per rilevare i primi segni di deterioramento.
• Le batterie a flusso possono richiedere l'analisi della composizione elettrolitica, oltre ai test elettrici standard, per garantire prestazioni ottimali.

Un test effettuato in maniera corretta è essenziale non solo per mantenere le prestazioni della batteria, ma anche per garantire la sicurezza e l'affidabilità dei sistemi di accumulo di energia. I test regolari possono aiutare a identificare i potenziali problemi prima che si verifichino guasti, ottimizzare le strategie di gestione delle batterie e prolungare la durata complessiva dei sistemi di accumulo di energia.

 

Conclusione

Sono disponibili diversi tipi di batterie stazionarie, ognuno con propri vantaggi e complessità. Man mano che continuiamo a migliorare le nostre capacità di accumulo di energia, assisteremo probabilmente a ulteriori innovazioni e miglioramenti nella tecnologia delle batterie.

Comprendere le caratteristiche dei diversi tipi di batterie è fondamentale per scegliere la tecnologia giusta per le diverse applicazioni. Altrettanto importante è implementare regimi di test e manutenzione appropriati per garantire che le batterie funzionino in modo ottimale per l'intero ciclo di vita.

Nel prossimo post analizzeremo le complessità dei test per le varie tecnologie di batterie e in che modo le soluzioni di Megger possono contribuire a migliorare l'affidabilità e la durata dei sistemi di accumulo di energia.