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13 Ottobre 2022
17:19

Perché l’energia elettrica è difficile da conservare?

Perché l'energia elettrica è difficile da conservare? Cosa ne limita la sua "data di scadenza"? Introduciamo alcuni aspetti e facciamo qualche ragionamento.

A cura di Gianluca Godi
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Perché l’energia elettrica è difficile da conservare?
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L'elettricità è difficile da immagazzinare e conservare. Questa affermazione ad oggi è ancora vera, o no, o solo in parte? Lo stato dell'arte delle batterie oggi sembra dire il contrario, ed è vero! Ma non è tutto oro quel che luccica: esistono numerosi limiti che rendono lo stoccaggio complicato da attuare, sia come limiti fisici e tecnologici ma anche economici. Analizziamo nello specifico alcuni di questi limiti cercando di essere sintetici ma senza perderne la sostanza.

I limiti tecnici delle batterie elettrochimiche

Prendiamo per ora in considerazione le batterie elettrochimiche come unico strumento in grado di immagazzinare e conservare energia elettrica, nello specifico prenderemo come esempio le batterie agli ioni di litio, la tipologia ad oggi più diffusa sul mercato con maggiore energia e potenza specifica.

limiti litio batterie

Corrente continua e corrente alternata

Come prima cosa è doveroso dire che le batterie elettrochimiche funzionano in corrente continua (CC), il flusso di elettroni emesso da una batteria è continuo nel tempo e unidirezionale. Viceversa, la rete di distribuzione italiana e tutti i nostri impianti elettrici funzionano a corrente alternata (CA), ovvero il flusso di elettroni varia nel tempo sia in intensità che in direzione. Questi due regimi temporali non sono compatibili tra loro: non è fisicamente possibile scambiare energia elettrica tra un sistema in CC e l'altro in CA collegandoli direttamente tra loro. Per rendere possibile l'interazione, all'interfaccia tra i due sistemi, si devono installare due tipologie di convertitori:

  • raddrizzatori, convertono la corrente alternata in corrente continua;
  • inverter che viceversa convertono la corrente continua in alternata.

Questi dispositivi presentano un costo non trascurabile e che deve essere necessariamente considerato alla base dell'investimento per un sistema di accumulo.

inverter
Nella foto gli inverter, i dispositivi che convertono la corrente continua in alternata; permettendo lo scambio di energia dalla rete in CC verso quella in CA.

Perdita di capacità (capacity fading)

Le batterie sono soggette ad invecchiamento (e anche relativamente veloce) e il parametro che degrada più velocemente è la capacità. Una batteria agli ioni di litio ha una vita utile che va dai 5 ai 10 anni o circa 2000 cicli di carica e scarica. Si possono distinguere due tipi di degrado della capacità: l'usura data dai cicli di carica e scarica e l'invecchiamento temporale.

La capacità della batteria agli ioni di litio è determinata dalla quantità di ioni che sono trasportati avanti e indietro tra il catodo e l'anodo durante il processo di carica/scarica della batteria. Durante questi processi, alcuni di questi ioni vengono "strappati" dal catodo e vengono "catturati" nell'anodo; questo numero di ioni intrappolati nell'anodo aumenta dopo ogni ciclo pertanto, la loro partecipazione alle successive reazioni di carica e scarica si riduce. Questa breve sintesi spiega il deterioramento per "usura" dato dall'utilizzo vero e proprio della batteria.

Anche quando la batteria è inattiva e non soggetta a cicli di carica/scarica, la chimica della batteria non è comunque completamente stabile: gli ioni di litio iniziano a reagire con il materiale che compone l'elettrodo e l'elettrolita, formando composti chimici che degradano la batteria. Questo è il degrado per invecchiamento.
Sebbene il tasso di perdita dato dall'usura da cicli di carica/scarica sia preponderante rispetto al tasso di invecchiamento, quest'ultimo ha comunque un impatto non trascurabile sul degrado complessivo della batteria. Una batteria viene definita "morta" ovvero che ha raggiunto il suo fine vita utile quando la sua capacità si è talmente ridotta da non garantire un'autonomia accettabile per l'uso che viene chiamata a svolgere. Per le automobili elettriche, ad esempio, questa soglia di solito è fissata, tra il 70% e l'80% della capacità effettiva iniziale. Sotto questo livello la batteria non è più considerata utilizzabile per alimentare un veicolo, anche se può essere riutilizzata magari per altre applicazioni come accumulatore statico per gruppi di continuità e impianti simili.

Temperatura di esercizio

La capacità delle batterie dipende fortemente anche dalla temperatura ambiente alla quale devono lavorare. La temperatura di esercizio ottimale per garantire il numero massimo di cicli di carica e scarica per le batterie agli ioni di litio va dai 15 ai 50 °C. Sotto i 15°C i cicli si riducono significativamente mentre oltre i 60 °C invece si innescano reazioni chimiche che scatenano nella batteria un effetto domino in grado di portare la sua temperatura interna oltre i 300-400 °C nel giro di brevissimo tempo, innescando esplosioni o incendi. Questo fenomeno di forte instabilità prende il nome di fuga termica. Il riscaldamento della batteria inoltre è auto-indotto durante i cicli di utilizzo; la batteria presenta una resistenza elettrica intrinseca, e quindi per effetto Joule una resistenza percorsa da corrente dissipa energia sotto forma di calore.

litio batteria esplosione

Sicurezza

Un importante aspetto da non sottovalutare è il fatto che le batterie presentano densità di energia anche molto rilevanti dove, in condizioni ordinarie di funzionamento, il rilascio di questa energia avviene in maniera controllata. Viceversa, in caso di guasto, il rilascio di questa energia può avvenire in maniera incontrollata innescando incendi o esplosioni. Oltre ai danni termici causati da temperature eccessive, come spiegato nel punto precedente, ci sono altri fattori che minano la stabilità e la sicurezza delle batterie, come ad esempio:

  • il sovra-caricamento;
  • urti, perforazioni e danni meccanici;
  • guasti elettrici come corto circuiti interni o esterni, scariche troppo intense e veloci;
  • formazione di gas interni alla batteria che ne creano il rigonfiamento sfociando in danni meccanici/elettrici.
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Velocità di ricarica

Avendo a che fare nel quotidiano con dispositivi o utensili a batteria, la necessità di averli carichi in brevissimo tempo sta diventando un requisito sempre più fondamentale. Caso emblematico è rappresentato dalla ricarica rapida di un veicolo elettrico a velocità paragonabili al rifornimento di un'auto a benzina/diesel. Per perseguire questo obiettivo, è necessario soddisfare due requisiti:

  • Il caricabatterie deve essere in grado di fornire una grande quantità di energia in breve tempo;
  • La batteria deve essere in grado di riceverla.

Per fornire grandi quantità di energia in breve tempo ci vogliono caricatori con potenze molto rilevanti, dell'ordine delle centinaia di kW e un'infrastruttura di rete dimensionata opportunamente in grado di soddisfare tale richiesta. Non sempre l'infrastruttura è disponibile o comunque la sua implementazione richiede ingenti investimenti in termini economici.

ricarica rapida

Dimensioni e peso

In base all'autonomia e alla capacità che si vuole raggiungere le dimensioni e i pesi contano (oltre ai costi, ma di questo ne discutiamo all'ultimo punto sotto). Per avere una autonomia giornaliera accettabile, la capacità tipica di un sistema di accumulo per una fornitura domestica si aggira attorno ai 10 kWh, un sistema di accumulo di questo tipo (sempre con tecnologia agli ioni di litio) occupa lo spazio di una scarpiera (50x80x30 cm) e il peso di un motorino (110-120 kg); dimensioni e pesi accettabili da poter essere gestiti in una abitazione domestica. Ora ragioniamo per assurdo pensando di volere un impianto di accumulo in grado di stoccare tutta l'energia che serve per superare la stagione invernale pensando di immagazzinare l'energia elettrica generata dal nostro impianto fotovoltaico durante il periodo estivo, puntando quindi ad un'autonomia stagionale. Considerando i consumi medi di una famiglia composta da 4 persone in un anno, ovvero 2500 kWh circa, poco più di 200 kWh al mese, consideriamo di conseguenza un impianto di accumulo da circa 1 MWh (1000 kWh). In questo caso lo spazio necessario per contenere tutte le batterie diventa quello di un container per il trasporto navale da 20 piedi e un peso di almeno 4/5 tonnellate per le sole batterie! Decisamente più difficile da gestire in ambiente domestico.

Costi

I materiali utilizzati per costruire anodo e catodo di una cella come cobalto, nichel e lo stesso litio sono elementi difficili da estrarre e trattare, con conseguenti costi di vendita sul mercato già relativamente alti. Altro ruolo fondamentale, determinante nel costo dei materiali, è giocato dalla geopolitica, creando variazioni sul mercato anche molto significative. Senza entrare troppo nel merito, basti pensare che due terzi di tutto il cobalto estratto nel mondo proviene dalle miniere della Repubblica democratica del Congo, le cui concessioni minerarie per l'estrazione sono in mano principalmente ad aziende cinesi. Uno studio di BloombergNEF di novembre 2021 illustra come il prezzo delle batterie agli ioni di litio sia diminuito dal 2010 al 2021 del 89%, ovvero da 1200 $/kWh a 132 $/kWh. Questo costo tiene conto delle sole batterie, senza considerare i sistemi di carica e controllo, nonché i convertitori ad essa connessi, che come detto nel primo paragrafo hanno dei costi per nulla trascurabili.

Conclusioni

Dalla trattazione fatta qui sopra sui principali limiti si denota chiaramente quanto sia difficile immagazzinare l'energia elettrica cercando comunque di soddisfare tanti più requisiti possibili come ad esempio: elevata capacità; elevata potenza; elevati standard di sicurezza; peso e dimensioni contenute; ampio intervallo di temperatura di utilizzo; lunga vita utile; utilizzo di materiali non tossici; possibilità di ricarica rapida; il tutto garantendo costi contenuti.
Ovviamente garantire tutto ciò è tecnicamente impossibile e va da sé che la scelta delle batterie deve essere fatta in base ad una serie di compromessi garantendo i requisiti minimi indispensabili a discapito degli altri. Le tecnologie ci sono ma spesso non sono accessibili per via degli alti costi iniziali o perché i requisiti spesso entrano in contrasto con i tanti limiti. Ad aggi siamo ancora in una fase di transizione, dove i costi di investimento in queste tecnologie per alcuni settori e applicazioni rimangono ancora insostenibili quindi, se non è possibile scendere a compromessi tecnici a favore di più bassi costi di investimento, per ora, l'unica strada percorribile rimane quella di consumare l'energia elettrica nell'istante in cui viene prodotta.

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