Problematiche batterie per accumulo fonti rinnovabili

Le batterie impiegate negli impianti di accumulo da fonti rinnovabili, soprattutto ioni di litio (Li-ion/LFP), ma anche piombo-acido e altre tecnologie, presentano problematiche sia elettriche sia termiche e chimiche. È utile ragionare in termini di problema, causa, prevenzione, soluzione, seconda vita.

Degrado della capacità

Problema: con il tempo la batteria immagazzina meno energia rispetto alla capacità iniziale.

Cause principali:

• numero elevato di cicli di carica/scarica;
• temperature elevate;
• permanenza prolungata al 100% di carica;
• scariche troppo profonde;
• correnti di carica/scarica elevate;
• invecchiamento naturale dei materiali.

Come proteggerla:

• evitare, quando possibile, di mantenerla continuamente al 100%;
• evitare scariche profonde frequenti;
• mantenere la temperatura entro l’intervallo previsto dal produttore;
• utilizzare un BMS (Battery Management System) adeguatamente configurato;
• dimensionare correttamente l’accumulo rispetto alla potenza richiesta.

Seconda vita: una batteria che non è più adatta a un veicolo elettrico, per esempio, può conservare una capacità sufficiente per applicazioni stazionarie meno esigenti, come accumulo domestico o fotovoltaico.

Surriscaldamento

Problema: l’aumento della temperatura accelera il degrado e, nei casi più gravi, può provocare fenomeni di thermal runaway nelle batterie agli ioni di litio.

Cause:

• elevata corrente;
• scarsa ventilazione;
• temperatura ambiente elevata;
• celle difettose;
• cortocircuiti;
• sistema di raffreddamento insufficiente.

Protezione:

• monitoraggio continuo della temperatura;
• ventilazione o raffreddamento adeguato;
• sensori termici distribuiti nel pacco batterie;
• BMS con protezioni automatiche;
• sistemi di rilevamento e isolamento dei guasti;
• installazione secondo le norme di sicurezza applicabili.

Squilibrio tra le celle

In un sistema composto da molte celle, non tutte invecchiano nello stesso modo.

Problema: alcune celle possono avere una tensione o uno stato di carica diverso dalle altre. Questo riduce la capacità utilizzabile dell’intero pacco.

Cause:

• differenze di fabbricazione;
• temperature differenti tra le celle;
• diverso invecchiamento;
• resistenza interna non uniforme.

Soluzioni:

• utilizzare un BMS con cell balancing;
• monitorare individualmente tensione e temperatura;
• sostituire le celle realmente degradate quando tecnicamente ed economicamente conveniente;
• progettare il sistema con una buona gestione termica.

Sovraccarica e scarica eccessiva

Sono due condizioni particolarmente dannose.

Sovraccarica: può provocare aumento della temperatura, degradazione accelerata e, in determinate chimiche, condizioni di instabilità.

Scarica eccessiva: può danneggiare permanentemente le celle e renderle inutilizzabili.

Protezione:
Il BMS dovrebbe interrompere o limitare carica e scarica quando vengono raggiunti i limiti di:

• tensione;
• corrente;
• temperatura;
• stato di carica (SOC).

Perdita di prestazioni alle basse temperature

Le batterie al litio possono presentare una maggiore resistenza interna quando la temperatura scende.

Conseguenze:

• minore potenza disponibile;
• maggiore caduta di tensione;
• ricarica più lenta;
• possibile danneggiamento se si effettua una ricarica in condizioni di temperatura non idonee.

Soluzioni:

• isolamento termico;
• sistemi di riscaldamento controllato;
• gestione della carica in funzione della temperatura;
• installazione delle batterie in locali con condizioni ambientali appropriate.

Guasti meccanici ed elettrici

Con il tempo possono comparire:

• corrosione;
• connessioni allentate;
• cavi danneggiati;
• deterioramento degli isolanti;
• infiltrazioni di acqua o umidità;
• danni meccanici all’involucro.

Per questo è importante effettuare ispezioni periodiche, oltre al semplice monitoraggio software.

Come si può dare una seconda vita alle batterie?

Qui c’è un aspetto particolarmente interessante per l’economia circolare.

Una batteria non dovrebbe essere considerata necessariamente “finita” quando non raggiunge più le prestazioni richieste dall’applicazione originaria.

Un possibile percorso è:

Batteria usata, diagnosi, classificazione, riutilizzo, seconda vita, riciclo.

Diagnosi

Prima di riutilizzarla bisogna determinare almeno:

• State of Health (SOH);
• capacità residua;
• resistenza interna;
• numero di cicli;
• comportamento sotto carico;
• differenze tra le singole celle;
• eventuali anomalie termiche;
• presenza di danni fisici.

Non è consigliabile semplicemente recuperare una batteria usata e collegarla a un nuovo impianto.

Classificazione

Le batterie possono essere suddivise, per esempio, in:

SOH elevato:
possono essere riutilizzate in applicazioni che richiedono buone prestazioni.

SOH intermedio:
possono essere interessanti per accumuli stazionari meno esigenti.

SOH molto basso o batteria danneggiata:
normalmente è più opportuno procedere al riciclo dei materiali piuttosto che al riutilizzo.

Possibili applicazioni di seconda vita

Una batteria proveniente da un veicolo elettrico, ad esempio, potrebbe essere utilizzata per:

• accumulo dell’energia prodotta da pannelli fotovoltaici;
• sistemi di accumulo domestici;
• microreti;
• sistemi off-grid;
• accumulo presso aziende;
• riduzione dei picchi di potenza (peak shaving);
• sistemi di backup;
• accumulo associato a stazioni di ricarica.

Il vantaggio è che queste applicazioni possono essere meno gravose rispetto all’applicazione originaria, perché spesso richiedono potenza e densità energetica inferiori.

Un punto fondamentale: non tutte le batterie sono adatte alla seconda vita

La seconda vita deve essere valutata considerando sicurezza, affidabilità ed economicità.

Una batteria con celle molto squilibrate, danneggiamenti, surriscaldamenti anomali o isolamento compromesso non dovrebbe essere recuperata semplicemente per “evitare di buttarla”.

In questi casi è preferibile il riciclo, recuperando materiali come litio, nichel, cobalto, rame, alluminio e altri componenti, secondo la chimica della batteria e il processo di riciclo utilizzato.

Dal problema alla soluzione, passando dalle cause fino a prevenire.

La strategia migliore, quindi, è cercare di allungare la prima vita della batteria, valutarne scientificamente il SOH quando le prestazioni diminuiscono, destinarla a una seconda applicazione quando è ancora sicura e tecnicamente valida, e infine riciclare i materiali quando non è più conveniente o sicuro riutilizzarla.