Veicoli elettrici, laptop, telefoni, aspirapolvere senza fili, cani robot (cosa?). Hanno tutti una cosa in comune. Le batterie agli ioni di litio li alimentano e la loro capacità di immagazzinare energia si riduce nel tempo. Anche lo stoccaggio su scala di rete segue le stesse leggi della fisica del tuo amico canino robotico: le batterie si degradano in base a diversi fattori, tra cui l'ambiente (ad esempio temperatura), il tempo e l'utilizzo (ad esempio ciclo di lavoro, profondità di scarica e altro). Per i proprietari di asset, gestire la degradazione delle batterie significa fare gestione degli asset. In questo articolo spieghiamo le considerazioni principali.

Nota - questo è un argomento molto studiato e, come per ogni tecnologia ancora giovane, il mondo sta ancora cercando di capirci qualcosa...

Cos'è la degradazione delle batterie?

Le celle agli ioni di litio funzionano grazie al movimento degli ioni tra gli elettrodi positivo e negativo. Questo principio è antico quanto le prime batterie (oltre un secolo fa) e, in teoria, questo meccanismo dovrebbe funzionare per sempre. Ma, ovviamente, la teoria ≠ realtà. Infatti, i componenti di una cella (elettrodi, elettrolita, collettori di corrente e additivi) subiscono cambiamenti fisici e chimici durante il funzionamento, che riducono l'energia immagazzinabile (capacità) e la potenza massima erogabile della cella.

Questi cambiamenti fisici riducono le prestazioni e possono avvenire più o meno rapidamente, a seconda di come vengono utilizzate le celle.

In parole semplici, usare le batterie in modo 'intenso' ne riduce le prestazioni più velocemente rispetto a un uso 'leggero'.

Metriche, metriche, metriche

Cicli - “cicli” è un termine ampiamente usato per contare il numero di cariche e scariche complete di una batteria. Questo valore tende a essere netto e cumulativo. Ad esempio, non è necessario effettuare una carica completa al 100% in un'unica volta. Si può raggiungere un ciclo anche tramite tante piccole ricariche che sommate arrivano al 100% (cioè un ciclo). Quando si parla di cicli, bisogna considerare dove vengono misurati: alcuni li contano sulle celle (cioè lato DC dei convertitori), altri altrove (lato AC, connessione alla rete, ecc.). Queste sfumature possono includere o escludere le perdite del resto del sistema, cambiando completamente la metrica.

Stato di carica (SoC) - il livello di carica di una cella rispetto alla sua capacità, solitamente espresso in % (0% = vuoto, 100% = pieno). Per alcune celle agli ioni di litio, operare entro un intervallo ristretto può prolungarne la durata. Ad esempio, utilizzando la cella solo tra il 20% e l'80% di SoC.

Profondità di scarica (DoD) - un parametro talvolta usato al posto del SoC, che misura quanta carica è stata prelevata dalla batteria rispetto alla quantità totale (cioè DoD = 100% - SoC)

Stato di salute (SoH) - un parametro che indica le condizioni della cella rispetto a quelle ideali, solitamente espresso in %. Questa metrica viene spesso usata insieme alla capacità energetica come indicatore della degradazione. Al giorno 1 di messa in servizio, ci si aspetta che il SoH sia molto vicino al 100%. Un asset in funzione da tempo avrà un SoC inferiore al 100%.

Temperatura (T) - la temperatura ha un impatto enorme sulle prestazioni e sulla degradazione delle celle. Le celle possono surriscaldarsi molto rapidamente, quindi i sistemi di raffreddamento sono sotto stretta osservazione. È anche importante mantenere le celle sopra una temperatura minima (tipicamente 10-20 °C) per prestazioni ottimali.

Quali dati abbiamo sulla degradazione delle batterie?

Partiamo dalla ricerca accademica:

I dati (applicabili) sulla degradazione delle batterie sono scarsi. Certo, esistono molti dati di test provenienti dalla ricerca accademica sulla degradazione delle celle. Tuttavia, queste ricerche si concentrano spesso su singole celle o piccoli gruppi e riguardano per lo più altri ambiti (come veicoli elettrici, aviazione, elettronica di consumo), che hanno caratteristiche diverse rispetto allo stoccaggio su scala di rete (ad esempio configurazione delle celle, temperature, profili di carico). Inoltre, i test di laboratorio sono limitati da tempo, costi e spazio, per cui spesso i ricercatori devono simulare e fare delle assunzioni.

Testare la degradazione su 10 anni richiede, beh, 10 anni. Qualcuno ha voglia di allungare un dottorato a 10 anni? Immagino di no.

È prassi comune simulare, estrapolare o accelerare i cicli (ad esempio, 10 anni di cicli in 1 anno). Anche i costi rappresentano una sfida: acquistare un container da 40 piedi pieno di celle (solo per degradarle) è un'impresa costosa, quindi la ricerca tende a ridurre la scala su banchi di prova più gestibili. Questo è sensato, ma manca comunque delle dinamiche aggiuntive delle operazioni reali: carico termico e sistemi di raffreddamento nei container, variazioni stagionali di temperatura, interruzioni e simili. Vale sicuramente la pena menzionare il Centre for Research into Electrical Energy Storage and Applications (CREESA), guidato dall'Università di Sheffield, che ha acquistato, costruito e gestisce un sistema di accumulo da 5MW esclusivamente per scopi di ricerca accademica – complimenti. Tuttavia, non possiamo applicare i dati del sistema CREESA ad altri asset nel Regno Unito perché utilizza celle al litio-titanato, una chimica indubbiamente superiore alla maggior parte delle altre, ma anche molto costosa e quindi non utilizzata altrove nel paese. In sintesi, la ricerca accademica sulla degradazione delle celle è molto attiva, ma rimane una distanza tra ricerca e utilizzo reale per lo stoccaggio su larga scala. I dati applicabili alla degradazione degli asset utility-scale restano sfuggenti.

Cosa possiamo imparare dalla degradazione delle batterie negli asset operativi?

Il mercato dello stoccaggio energetico in Gran Bretagna sta maturando; circa 1GW di stoccaggio su scala di rete installato su circa 60 asset negli ultimi 5 anni fornisce molti dati per le “applicazioni reali”. Tuttavia, i proprietari e i produttori tendono a mantenere questi dati riservati. La maggior parte degli asset operativi nel Regno Unito ha un’età compresa tra 1 e 4 anni e sono stati utilizzati principalmente per servizi di risposta in frequenza (come FFR).

Sulla base di testimonianze aneddotiche sugli accordi di garanzia delle celle, riteniamo che la maggior parte degli asset operativi in GB abbia una capacità utile residua pari al 90-95% (cioè una degradazione della batteria del 5-10%). Ma questo è garantito, non reale.

Cosa dicono i produttori sulla degradazione delle batterie?

In generale, i produttori adottano un approccio conservativo e specificano la vita delle celle agli ioni di litio come numero di cicli completi di carica/scarica, ma questa è una semplificazione rispetto all’uso reale. Una regola empirica nel settore: aspettatevi di mantenere tra il 75% e l’85% della capacità energetica in 10 anni per un asset che opera con 1,5-2 cicli al giorno (per un sistema da 1 ora). Questo dipende (ovviamente) da molte assunzioni su specifiche, profilo di carico e utilizzo.

Misurare la degradazione delle batterie

Nel corso della vita utile del tuo asset, misurare la degradazione della batteria sarà fondamentale per essere un “operatore informato”, soprattutto se la degradazione rientra nei termini della garanzia della cella. Con garanzie estese che ora arrivano fino a 15 anni, misurazioni regolari sono essenziali. In alcuni casi, i test di degradazione possono determinare se un OEM debba sostituire l’equipaggiamento o pagare una compensazione (£££), quindi il regime di test deve essere concordato in anticipo e inserito nel contratto.

Il modo più completo per misurare la degradazione è eseguire un test di capacità energetica. Il sistema viene caricato al 100% di SoC e poi scaricato in modo continuo a una potenza impostata fino a raggiungere lo 0% di SoC (cioè scarica di 1 ora alla potenza nominale dal 100% allo 0% di SoC). Questo è un ottimo test di prestazione perché è molto “intenso” e mette alla prova anche i servizi ausiliari (come il raffreddamento). Tuttavia, questi stessi test causano una certa degradazione (immagina di ritirare la tua auto dal tagliando e trovarla con 1.000 km in più). Per ridurre lo stress di questi test, alcuni OEM consigliano di effettuarli a meno del 50% della potenza nominale o di limitare i livelli di SoC (cioè scarica dall’80% al 20% di SoC ed estrapolare). Il dibattito è aperto.