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Piccole batterie, grande stoccaggio

 By Andrew Burger

Dopo l’iniziale applicazione nel mondo dell’elettronica di consumo, le batterie agli ioni di litio vengono sempre più utilizzate sui mercati energetici internazionali. Non solo. Negli Usa gli investimenti dei venture capital e gli incentivi federali hanno permesso a startup pioniere di creare le prime piattaforme “intelligenti” BEES, Battery Energy Storage System, ovvero a sistema di stoccaggio di energia in batterie. Colossi come Ge e Ibm ci si stanno buttando, le potenzialità sono grandi. Andrew Burger fa il punto sulla tecnologia BEES e spiega come una sua diffusione potrà influenzare il settore strategico dello stoccaggio energetico…

Dopo la loro iniziale applicazione nel mondo dell’elettronica di consumo (Consumer Electronics o CE), le batterie agli ioni di litio (Li-ion) vengono sempre più utilizzate negli Stati Uniti e in tutti i mercati energetici internazionali.

Il loro sviluppo negli USA sta crescendo velocemente dopo che player come PJM Interconnection, un operatore di sistemi indipendenti di reti di forniture energetiche in California, Hawaii e New York, hanno attivato politiche e ambiziosi programmi di incentivazione all’uso.

Gli investimenti di venture capital e gli incentivi federali hanno permesso a startup pioniere di creare le prime piattaforme “intelligenti” BEES, Battery Energy Storage System, ovvero a sistema di stoccaggio di energia in batterie, in grado di aggregare e gestire la capacità di stoccaggio dell’energia ripartita da entrambe le parti del contatore (sia chi eroga il servizio che il consumatore). Non a caso le maggiori aziende multinazionali di ingegneria industriale e high-tech, come GE e IBM, insieme ad aziende private di servizi, come AES e Duke Energy, si sono ben presto aggregate.

Il trend ha quindi assunto una portata globale. La maggior azienda di servizi della Corea del sud, la Korea Electric Power (KEPCO), ha recentemente annunciato di aver sviluppato il più grande sistema BESS collegato alla rete per la regolazione della frequenza, e cioè un BEES NMC (ossido di nichel manganese e cobalto) agli ioni di litio per 24MW/9MWh prodotto da Kokam.

Fonte: sinergyfiles.com

Una novità industriale

Ad oggi le installazioni di sistemi BESS integrati sono ancora poche e distanti tra loro, ma il trend è decisamente in crescita, il che aiuta i fornitori di servizi, i regolatori e gli sviluppatori a capire meglio l’aspetto economico dei BESS e promuovere lo sviluppo di nuovi modelli di business, strategie di mercato e politiche normative.

Ad esempio lo scorso settembre una rete “smart” di BESS agli ioni di Litio istallata “dietro il contatore” delle abitazioni di 18 clienti della Pacific Gas & Electric, ha dato risultati soddisfacenti distribuendo energia, in tempo reale e giorno per giorno, alla rete della California attraverso il California Independent System Operator (CAISO).

La piattaforma è stata progettata ed installata dalla Stem and Olivine con sede in Silicon Valley e funziona come un unico grande asset di stoccaggio dell’energia in rete. “La partecipazione di Stem a CAISO conferma la teoria che lo stoccaggio dell’energia presso i consumatori può essere usato per fornire servizi molteplici da un singolo asset”, ha spiegato in un’intervista Ted Ko, direttore della policy di Stem.

Guadagnare credibilità

Su queste premesse agglomerati con alti costi per l’energia (per es. le isole e le comunità remote) hanno aperto le porte alle prime applicazioni della tecnologia BESS. Tra queste va ricordata la PJM Interconnection, che ha sviluppato 160 MW di capacità di stoccaggio di energia con batterie nel corso del 2015. Mentre alcuni stati Usa stanno aggiornando le rispettive normative e il pacchetto incentivi. Proprio la California è stata la prima, grazie alla legge AB2514 nel 2013, a richiedere che le tre principali agenzie di servizi di proprietà privata nello stato acquisiscano 200 MW di capacità di stoccaggio entro ogni fine d’anno e 1,325 GW entro il 2020.

Il mercato dello stoccaggio dell'energia sta diventando un business sempre più conveniente

Domande aperte

Il risultato è che il prezzo di acquisto di BESS agli ioni di litio è diminuito velocemente, passando da 500$ a circa 350$ per kilowatt ora (kWh) anche se i costi delle istallazioni e il costo medio dell’energia (LcoE, ovvero levelized cost of energy) sono ancora troppo alti per garantirne uno sviluppo su ampia scala. “Per costruire e rendere operativo un sistema BESS agli ioni di litio su scala di rete ci si avvicina ai 1.000$/kWh, poco meno per un sistema residenziale…”, fa di conto Chris Robinson della Lux Research. Inoltre, esistono sul mercato una molteplicità di tecnologie di batterie stazionarie agli ioni di litio, così come sono alternative le batterie di flusso Redoz. La KEPCO, per esempio, usa sistemi BESS titanite e ioni di litio (LTO) insieme a sistemi NMC.

Qui sotto, per completezza, sono elencate le 5 maggiori tecnologie di batterie agli ioni di litio (attenzione: le prime quattro sono catodiche mentre la quinta è usata negli anodi delle batterie agli ioni di litio):

  • Ossido di litio manganese (LiMn2O4 o LMO)
  • Ossido di litio nichel manganese e cobalto (LiNiMnCoO2 o NMC)
  • Litio fosfato di ferro (LiFePO4 o LFP)
  • Ossido di litio nichel cobalto alluminio (LiNiCoAlO2 o NCA)
  • Litio – Titanato (Li4Ti5O12 o LTO)

Alle capacità di prestazioni si aggiunga il fatto che la tecnologia BESS è flessibile abbastanza da fornire diversi servizi, tra cui una più veloce integrazione delle rinnovabili, una produzione di materie prime e di riserva più efficiente e una migliore capacità di distribuzione. Questo potenziamento dell’efficienza, della stabilità e della resistenza dovrebbe portare a costi inferiori e più stabili dell’elettricità, nonché a ridurre le emissioni di gas ad effetto serra e spingere le aziende di servizi ad investire nelle infrastrutture di rete.

 

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Un confronto tra le tecnologie di batterie agli ioni di litio

Ad esempio dopo il lancio di aprile 2015 sono arrivati a Tesla grandi ordinativi per le linee di prodotti BESS agli ioni di litio Powerpack e Powerwall, residenziali e commerciali. Un numero così alto da spingere l’amministratore delegato Elon Musk a prendere in considerazione la possibilità di aumentare del 50%, o forse più, la capacità della mega batteria agli ioni di litio ¨Gigafactory¨ che Tesla e Panasonic stanno costruendo nel Nevada del sud. Tesla di recente ha tuttavia sospeso la produzione del Powerwall maggiore (10kWh) per lo scarso interesse dei clienti. Una bassa capacità nel ciclo giornaliero sembrava fosse il principale motivo del suo scarso successo.

Su ordinazione  

La decisione di Tesla mette in luce le diverse proprietà delle 5 maggiori tecnologie Li-BESS, che si prestano ad applicazioni e strategie di mercato particolari.

I servizi di rete di solito necessitano di un’alta densità di potenza, un ciclo di vita lungo e alti tassi di carico/scarico. “Se si ha bisogno di molta energia, ci si rivolge generalmente a anodi LTO che hanno un lungo ciclo di vita e danno anche molta potenza”, prosegue Robinson.

Detto questo, è vero che le batterie agli ioni di litio con catodi NMC, e secondariamente LFP, sono le più comuni nelle applicazioni di rete, soprattutto quando c’è la necessità di integrare molta energia rinnovabile alla rete. Le batterie LiNMC, inoltre, hanno un miglior ciclo di vita e migliori proprietà energetiche.

NMC e LFP sono anche i più diffusi quando si parla di applicazioni residenziali. ¨Non ha molto senso usare NCA se si sta solo cercando una potenza di supporto per le emergenze, ma c’è veramente poca possibilità di generare ricavi, ad esempio riducendo il costo della domanda, diminuendo il carico nei momenti di picco, spingendo a cambiare gli orari di uso o cercando la flessibilità nel caricare dai pannelli solari”.

Sempre secondo Robinson ci vorranno probabilmente altri cinque anni prima che la tecnologia BESS agli ioni di litio risulti vantaggiosa. Molto dipende dagli investimenti che faranno e dalle decisioni di diffusione che prenderanno i governi, le società di servizi, le aziende e i consumatori; non da ultimo la probabilità che si ribalti il trend di crescita delle emissioni GHG di origine antropica.

La prospettiva di costi inferiori e più stabili per l’energia, di efficienza, affidabilità e resistenza potenziate, e la riduzione dei GHG sono i principali benefici che potranno assicurare le tecnologie BESS impegnate, in parallelo, a migliorare le prestazioni e a dare impulso ad un mercato che cresce ed evolve rapidamente.

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Andrew Burger