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Piombo-acido vs. ioni di litio: decidere la soluzione migliore per i progetti solari

I sistemi di accumulo dell’energia a batteria (BESS) sono parte integrante dell’ecosistema dell’energia solare, integrando l’energia solare mitigandone l’intermittenza e migliorando sia la resilienza che la stabilizzazione della rete.

Tecnologie delle batterie ricaricabili come il piombo-acido e gli ioni di litio sono ampiamente adottati nel settore solare. Al di là delle differenze nella composizione chimica, quali sono gli altri attributi che li distinguono? E qual è la soluzione migliore per il tuo progetto solare?

Tuffiamoci dentro

Confronto tra batterie solari

Panoramica sulla tecnologia: piombo-acido e ioni di litio

Inventato da Gaston Planté nel 1859, la batteria al piombo è stata la prima batteria ricaricabile per uso commerciale.

Queste batterie comprendono tipicamente due piastre primarie a base di piombo (elettrodi) in una struttura a griglia. L'elettrodo positivo è rivestito di biossido di piombo e la controparte negativa è realizzata in piombo spugnoso. Entrambe le piastre sono immerse in una soluzione elettrolitica di acido solforico e acqua.

Sin dalla sua invenzione, il piombo-acido è stato costantemente perfezionato e la sua versione migliorata, il piombo-acido regolato da valvola sigillata (VRLA), è stato ampiamente adottato. Le batterie al piombo-gel, una variante della tecnologia VRLA, sono diventate una buona scelta per i sistemi di energia solare e altre applicazioni off-grid. A differenza delle tradizionali batterie al piombo acido, queste batterie hanno meno probabilità di incontrare perdite di liquido e richiedono meno manutenzione.

Batteria solare agli ioni di litio

La storia della tecnologia agli ioni di litio può essere ripercorsa indietro agli anni '1970 quando MS Whittingham e i suoi colleghi inventarono la prima "cella al litio ricaricabile". 

Oggi, l’elettrodo positivo in una batteria agli ioni di litio è costituito da un ossido di metallo o fosfato, mentre l’elettrodo negativo utilizza comunemente ossido di litio cobalto (LiCoO2) o altri materiali. A differenza della tecnologia al piombo, l'elettrolita in una batteria agli ioni di litio è solitamente costituito da un sale di litio disciolto in solventi organici, consentendo agli ioni di litio di fluire tra l'elettrodo positivo e quello negativo.

Confronto delle prestazioni per piombo-acido e ioni di litio

La variazione nella composizione chimica si traduce in tratti unici che influenzano le prestazioni reali di queste batterie. I criteri principali includono densità energetica, efficienza di carica, profondità di scarica, durata del ciclo, dimensioni e peso, costo e altro ancora.

Densita 'energia

La densità energetica è la quantità di energia immagazzinata in una batteria in relazione alle sue dimensioni e al suo peso. 

Il gravimetrico la densità energetica delle batterie al piombo varia da circa 30 a 50 Wh/kg mentre quella delle batterie agli ioni di litio è di circa 150-250 Wh/kg. Vale a dire, la densità energetica delle batterie agli ioni di litio è circa 5 volte maggiore di quella delle batterie al piombo, fornendo molta più energia per unità di massa.

Efficienza di caricamento

L’efficienza di carica si riferisce alla quantità di corrente di carica trasformata in energia immagazzinata nella batteria. Questa misurazione è particolarmente importante per l'uso delle batterie nel settore solare a causa dell'intermittenza del sole che chiede che la massima energia venga convertita e immagazzinata entro orari di funzionamento limitati.

Le precedenti generazioni di batterie al piombo hanno una scarsa efficienza di circa il 50%. Nonostante decenni di progressi, l’efficienza massima non ha ancora superato stabilmente l’85%. Ciò si traduce in una notevole perdita di energia durante il processo di ricarica.

Al contrario, le batterie agli ioni di litio forniscono un’efficienza di carica superiore al 90% con alcuni prodotti dotati di tecnologia di prim’ordine che si avvicinano al 99%.

Monitoraggio della carica della batteria solare

Profondità di scarica (DoD)

In breve, la DoD è una misura che si riferisce alla quantità di capacità che può essere scaricata in sicurezza dalla batteria rispetto alla sua capacità di carica totale.

La DoD della maggior parte delle batterie al piombo è solo del 50% circa. In altre parole, gli utenti dovranno ricaricare la batteria dopo aver consumato circa la metà della capacità caricata; in caso contrario, avrà un impatto negativo sulla sua durata.

Per le batterie al litio, la DoD è pari o superiore al 95%, il che significa che è possibile utilizzare in modo efficiente l'energia immessa e immagazzinata.

Ciclo di vita

Questa misura è il numero di cicli di carica completi che una batteria può eseguire senza una significativa riduzione delle prestazioni. Viene conteggiato un singolo ciclo quando una batteria passa da uno stato completamente carico a uno stato completamente scarico.

In media, una batteria al piombo ha una durata compresa tra 300 e 1500 cicli, che possono equivalere a 1-3 anni di utilizzo. Le batterie agli ioni di litio sono note per la loro lunga durata, garantendo un ciclo di vita di circa 2,000-5,000.

Costo

Un'altra misura fondamentale da valutare tra queste due batterie è il loro costo.

Le batterie al piombo in genere costano dai 75 ai 100 dollari per kWh, mentre quelle agli ioni di litio costano dai 150 ai 300 dollari per kWh.

Alcuni penseranno che le batterie al piombo siano la scelta ideale per progetti con budget limitati. Ma sempre, il costo non dovrebbe essere semplicemente conteggiato. Il costo per kWh qui è il costo iniziale di una batteria. Dovresti tenere conto delle altre spese associate all’uso della batteria, soprattutto nel caso delle applicazioni solari.

Manutenzione della batteria

Ultimo ma non meno importante, dovresti considerare anche i dettagli sulla manutenzione di queste batterie.

Le batterie al piombo sigillate, il principale tipo di batterie al piombo adottate nei progetti solari, richiedono il monitoraggio dei cicli di carica e controlli regolari della ventilazione.

Tuttavia, le batterie agli ioni di litio richiedono molta meno manutenzione una volta messe in funzione. La maggior parte di queste batterie oggi sono dotate di un sistema di gestione della batteria (BMS) per garantire che non siano sovraccaricate e funzionino a temperature normali.

Il tempo di ricarica, il peso e le dimensioni della batteria non sono trattati nella discussione precedente. In realtà sono correlati ad altre misurazioni come densità di energia, efficienza di carica e DoD.

Riepilogo: qual è la soluzione migliore per i progetti solari?

Dopo una rapida rivisitazione della discussione precedente, scoprirai che le batterie agli ioni di litio eccellono meglio rispetto a quelle al piombo sotto molti aspetti, ad eccezione dei costi. Aspetta… per essere più precisi è il costo INIZIALE.

Il tempo di ammortamento dei progetti solari

La durata di vita dei pannelli solari è generalmente di 25 anni, con alcuni prodotti premium che durano fino a 30 anni. In generale, la durata prevista di un progetto solare, sia C&I che residenziale, può essere di almeno 10 anni, giusto? Facendo un passo indietro, alcuni eccellenti progetti solari possono ridurre i tempi di recupero dell’investimento intorno agli anni 5. Ciò implica che richiederanno la presenza di batterie solari per la stessa durata.

Una batteria agli ioni di litio di qualità può durare circa 10 anni. Anche se il costo iniziale delle batterie al piombo è basso, il costo accumulato aumenterà; per non parlare delle relative spese di manodopera e accessorie.

Servizi post-vendita e catena di fornitura

Non stiamo parlando della qualità dei servizi post-vendita, ma dei costi nascosti dietro di essi. 

I servizi post-vendita eccezionali, come tutti gli altri, richiedono tempo. Oltre al costo delle apparecchiature, la sostituzione delle batterie al piombo-acido giunte a fine vita, come parte delle operazioni del progetto, segue determinate procedure all'interno dell'organizzazione e richiede tempo per comunicare e coordinarsi.

Per quei progetti situati in una regione in cui non è stata ancora stabilita una catena di fornitura solare locale affidabile e il sistema logistico locale è inadeguato, l’ideale è che gli operatori optino per prodotti affidabili con una durata più lunga per mantenere un funzionamento regolare del progetto.

Che ne dici del problema della fuga termica?

Potresti scoprire che esiste un problema di fuga termica legato alle batterie agli ioni di litio, che è una reazione a catena generalmente causata da reazioni redox (Feng et al., 2019) e temperature ambiente elevate. 

Dopo aver subito molti anni di miglioramenti, il verificarsi di fuga termica in queste batterie è ridotto al minimo, grazie all'uso di materiali e struttura della batteria ottimizzati, nonché di BMS avanzati. 

Questi BMS monitorano e gestiscono vari parametri della batteria oltre alla carica e alla distribuzione del calore, come la tensione della cella, la corrente, lo stato di carica e lo stato di salute. Aiutano a garantire che la batteria raggiunga prestazioni eccellenti in condizioni controllabili e sicure.

Potresti comunque essere preoccupato per l'uso delle batterie agli ioni di litio in regioni con un clima caldo, come molti paesi africani o del Medio Oriente: Nigeria, Egitto, Israele, Arabia Saudita, ecc.

Stia tranquillo. Negli ultimi anni, la batteria al litio ferro fosfato (LiFePO4), un nuovo membro della famiglia degli ioni di litio, ha dimostrato i suoi vantaggi distintivi.

Queste batterie sono note per la loro eccellente sicurezza grazie alla loro stabilità termica e chimica, offrendo allo stesso tempo un ciclo di vita più lungo, una maggiore stabilità in ambienti ad alto calore e un minore impatto ambientale.

Possono essere più convenienti durante il loro ciclo di vita, nonostante un costo iniziale più elevato rispetto alle tradizionali batterie agli ioni di litio. 

Conclusione

È evidente che le batterie agli ioni di litio offrono maggiori vantaggi rispetto alle batterie al piombo.

Per i progetti a breve termine, il piombo-acido potrebbe potenzialmente surclassare i suoi concorrenti grazie ai prezzi più bassi. Ma questo non è sicuramente il caso dei progetti solari, che tengono conto della sostenibilità e del benessere a lungo termine delle persone.

Ricorda, il costo del ciclo di vita è il più importante e più pratico del costo iniziale.

La continua innovazione nel segmento delle batterie agli ioni di litio lo sta rendendo più competitivo. Ridurre costantemente i costi dei prodotti è senza dubbio uno dei temi principali nell'ambito del lavoro dei ricercatori.
A proposito, se è di qualità inferiore e/o non smaltito correttamente, l'elemento di piombo nelle batterie al piombo porrà grandi rischi.

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