Diversi tipi di batterie hanno effetti diversi se applicati allo stoccaggio di energia. Il mondo fa sempre più affidamento sulle fonti energetiche rinnovabili come l’energia solare ed eolica, e cresce anche la domanda di uno stoccaggio affidabile dell’energia. Perciò, i tipi di batterie vengono costantemente inventati e ampliati di conseguenza.
Immagazziniamo l'energia generata durante i periodi di picco energetico per utilizzarla durante i periodi di punta della domanda o quando l'energia rinnovabile non è disponibile. Il metodo di immagazzinamento dell'energia consiste nell'immagazzinare l'energia elettrica come corrente continua (DC) attraverso batterie di accumulo di energia, che devono essere convertiti in corrente alternata (AC) per uso umano tramite accumulo o inverter solari.
Perciò, negli ultimi anni, l’industria delle batterie ha compiuto progressi significativi, con tecnologia più avanzata e prezzi più economici.
Molte persone preferiscono soluzioni energetiche integrate, come l’accumulo di energia solare di GycxSolar, perché è facile da usare e ha prestazioni migliori.
In questo articolo, esamineremo i tipi di batterie più adatti per i sistemi di accumulo di energia ed esploreremo alcuni fattori che dovrebbero essere considerati nella scelta delle batterie di accumulo di energia.
Sommario
Cos'è l'accumulo di energia?
Lo stoccaggio dell'energia è il processo di immagazzinamento dell'energia in dispositivi o sistemi specifici per un uso continuato secondo necessità. In senso lato, l'accumulo di energia si riferisce all'immagazzinamento di energia in una forma o alla sua conversione in un'altra forma attraverso un mezzo o un dispositivo, per poi rilasciarlo attraverso le apparecchiature in base alle future esigenze applicative.
Lo stoccaggio energetico strettamente definito si riferisce a una serie di tecnologie e misure che utilizzano metodi chimici o fisici per immagazzinare l'energia elettrica generata dalla produzione di energia e rilasciarla quando necessario.
Lo stoccaggio dell’energia aiuta gli esseri umani a risparmiare energia e a usarla quando la domanda aumenta o l’energia viene interrotta. Perciò, lo stoccaggio dell’energia mantiene sempre un equilibrio tra domanda e offerta per i consumatori, e previene sfide come l’elettricità instabile e l’aumento dei costi.
Perché il processo di accumulo dell’energia comporta la conversione di diverse forme di energia, lo stoccaggio dell’energia può aiutare a immagazzinare l’energia solare, vento, e altre fonti di energia rinnovabile, rendendo sempre più importante l’operazione di stoccaggio dell’energia.
Quali sono i diversi tipi di accumulo di energia?
Dal diagramma allegato, si può vedere che esistono vari tipi di accumulo di energia. La selezione dei tipi di stoccaggio dell’energia può essere considerata in modo completo valutando la scalabilità, durata dei cicli di carica e scarica, costi di stoccaggio, compatibilità ambientale, e altri aspetti. Esistono diversi tipi comuni di stoccaggio dell’energia sul mercato.
Accumulo di energia meccanica
Prevede l'utilizzo di energia termica, energia eolica, energia idroelettrica, e alcune fonti di energia rinnovabile. I sistemi meccanici più diffusi includono lo stoccaggio con pompaggio, compressione dell’accumulo di energia del volano, e accumulo di energia nell'aria.
Accumulo elettrochimico
L'accumulo di energia elettrochimica coinvolge vari tipi di sistemi di accumulo dell'energia a batteria. Le batterie convertono l’energia chimica in energia elettrica. I due tipi più comuni sono le batterie ricaricabili e le batterie a flusso. Diversi tipi di batterie hanno le proprie caratteristiche, e questo articolo discute principalmente delle batterie ricaricabili.
Confronto di 9 tipologie di accumulatori di energia
Prossimo, vedrai i vantaggi e gli svantaggi di 9 tipi di batterie nel campo dello stoccaggio dell’energia. Sono il fratello maggiore delle batterie – batterie al piombo, il mainstream popolare nel mercato – batterie agli ioni di litio, l’obiettivo popolare di ricerca e sviluppo – batterie agli ioni di sodio, l'accattivante nuova stella degli elementi in polimeri di litio – batterie al litio-zolfo, batterie al nichel-idrogeno, supercondensatori, celle a combustibile, batterie di flusso, e batterie all'ossido di litio cobalto (LCO) nelle batterie al litio-ossido di cobalto.
① Batteria al piombo
Le batterie al piombo sono tra le più antiche, più maturo, e tipi ampiamente utilizzati di batterie ricaricabili, che da decenni vengono utilizzati per lo stoccaggio dell’energia.
Le batterie al piombo potrebbero esserti familiari perché sono le batterie più popolari per i veicoli.
Batterie al piombo sono generalmente pesanti e hanno una durata di vita breve. Calcolato sulla base di un'operazione di carica e scarica giornaliera, la loro vita ciclica tipica è inferiore a tre anni. Ma il suo prezzo è il più economico.
Le batterie al piombo hanno un sistema di riciclaggio completo e sono anche il tipo di batteria più maturo nel processo di riciclaggio. Secondo l'Associazione per l'immagazzinamento dell'energia, il suo tasso di riciclaggio dei materiali supera 90%, e le normali batterie al piombo sono realizzate in oltre 80% materiali riciclati, che è anche rispettoso dell'ambiente in una certa misura. E le batterie al piombo sono anche più sicure di altre batterie chimiche perché i loro ingredienti attivi non sono infiammabili.
Vantaggio:
- Le materie prime sono facilmente reperibili
- Il prezzo e il costo sono relativamente bassi
- Tecnologia matura e completa
- Buone prestazioni di temperatura, può lavorare in un ambiente di -40 ℃ -60 ℃.
- Adatto per la ricarica flottante, nessun effetto memoria.
- Le batterie usate sono facili da riciclare e aiutano a proteggere l’ambiente.
Svantaggi:
- Bassa densità energetica (densita 'energia), generalmente tra 30-40 Wh/kg.
- Vita a ciclo breve (300 A 500 cicli)
- Efficienza relativamente bassa (79-85%)
- Scarse prestazioni alle alte temperature
- Il processo di produzione di questo tipo di batteria è altamente soggetto all'inquinamento ambientale e deve essere dotato di tre apparecchiature per il trattamento dei rifiuti.
Applicazioni adatte:
- Sistema di accumulo di energia off-grid
- Sistema di alimentazione di riserva
- Applicazioni che richiedono una bassa densità di potenza/energia
② Batteria agli ioni di litio
Dopo aver compreso il fratello maggiore delle batterie al piombo nel mercato delle batterie, diamo uno sguardo all’attuale mercato mainstream – batterie agli ioni di litio.
Tra i 9 tipi di batterie, Le batterie al litio dominano il mercato, contabilità 92% della capacità installata globale di accumulo di energia elettrochimica e 90% del mercato globale dello stoccaggio delle batterie in rete.
La tecnologia delle batterie al litio è attualmente la tecnologia di accumulo dell’energia elettrochimica più importante e comunemente utilizzata, con le sue principali applicazioni di mercato nello stoccaggio di energia e nei prodotti elettronici di consumo come i telefoni cellulari, computer portatili, e veicoli elettrici di nuova energia. Lo dice il rapporto sulla tecnologia di stoccaggio dell'energia e le caratteristiche dei costi del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, per un sistema di accumulo di energia di 4 ore, considerando il costo, prestazione, calendario e ciclo di vita, così come la maturità tecnologica, batterie agli ioni di litio sono la scelta migliore.
I principali tipi di batterie agli ioni di litio utilizzate per l’accumulo di energia sono:
Fosfato di ferro e litio (LFP)
È considerata la scelta migliore per l'accumulo fisso di energia grazie alla sua elevata sicurezza, lunga durata, e basso costo.
Le batterie LFP sono meno soggette alla fuga termica.
Ossido di cobalto manganese litio nichel (NMC)
Fornisce una densità di energia maggiore rispetto a LFP, ma con un costo più elevato e una stabilità termica leggermente inferiore.
Titanato di litio (LTO)
Ha un'eccellente densità di potenza e durata del ciclo (Sopra 10000 cicli), e bassa densità energetica, rendendolo adatto per applicazioni che richiedono frequenti operazioni di ricarica/scarica.
Vantaggio:
- Velocità di ricarica leggera e veloce
- Ciclo di vita lungo (2000-5000 cicli)
- Elevata densità di energia e densità di potenza: La densità energetica delle batterie al litio ferro fosfato può raggiungere i 210 Wh/kg, e la densità energetica delle batterie al litio ternarie ha superato i 300 Wh/kg
- Elevata efficienza di conversione energetica, fino a 80-90%
- Tempi di risposta rapidi (sub secondo al secondo), nessun effetto memoria
- Il tasso di autoscarica è relativamente basso: lo ione di litio completamente carico ha un tasso di autoscarica di circa 3% dopo essere stato conservato a temperatura ambiente per un mese, che è molto inferiore a 25-30% di Ni Cd e il 30-35% di In MH
- Non contiene elementi di metalli pesanti dannosi per il corpo umano, verde e rispettoso dell'ambiente
Svantaggi:
- Il costo è superiore rispetto alle batterie al piombo e ad altre batterie
- Problemi di sicurezza (rischio di fuga termica)
- Scarse prestazioni alle alte temperature
- La difficoltà del riciclo è elevata, e il processo di riciclaggio è complesso
- Le riserve sono limitate, e il contenuto delle risorse di litio nella crosta terrestre è solo 0.0065%. Le attuali risorse di litio non possono sostenere il vigoroso sviluppo del settore dello stoccaggio dell’energia elettrochimica in futuro.
Applicazioni adatte:
- Veicoli elettrici
- Accumulo di energia (in particolare lo stoccaggio di energia solare residenziale/commerciale)
- Stoccaggio energetico su scala di rete
③ Batteria agli ioni di sodio
Come accennato in precedenza, sebbene le batterie al litio siano attualmente la soluzione principale sul mercato, le riserve di risorse di litio sulla Terra sono limitate.
Dalla sua introduzione in 1991, le batterie al litio hanno dominato il campo dello stoccaggio dell’energia. Tuttavia, la domanda di questo minerale ha portato a una carenza di fornitura di litio, così come i conseguenti aumenti di prezzo e ritardi, che sono diventati importanti.
Negli ultimi anni, varie industrie hanno esplorato materie prime alternative al litio per produrre sistemi di accumulo di energia. Uno dei tipi di batterie più fattibili è batterie agli ioni di sodio: la relativa abbondanza e il basso costo di questo minerale ne fanno la prossima rivoluzione nello stoccaggio dell’energia rinnovabile.
Il sodio è un metallo alcalino morbido argentato molto abbondante in natura. Una batteria agli ioni di sodio è una batteria ricaricabile che utilizza ioni di sodio (Na+) per la ricarica.
Il principio di funzionamento delle batterie agli ioni di sodio è simile a quello delle batterie agli ioni di litio, e le loro proprietà chimiche sono entrambe alcaline. Ciò significa che molte reazioni elettrochimiche possono essere applicate a questo tipo di batteria, o almeno considerato.
Nel passato 20 anni, 53% delle attività di ricerca sui brevetti nel campo delle batterie agli ioni di sodio sono state condotte in Cina, seguito dal Giappone (16%) e gli Stati Uniti (13%). L'azienda che attualmente svolge il ruolo più importante in questa tecnologia è la società cinese CATL.
Secondo Bloomberg New Energy Finance, di 2030, le batterie agli ioni di sodio possono spiegare 23% del mercato fisso dello stoccaggio dell’energia, equivalente a oltre 50 GWh di ricavi di mercato.
Vantaggio:
- Alta densità di energia: La densità energetica delle batterie di accumulo di energia al sodio può raggiungere i 200 Wh/kg
- Lunga durata, con un ciclo di vita di oltre migliaia di volte
- Materie prime abbondanti: Le batterie al sodio per l'accumulo di energia utilizzano ioni di sodio, che sono elementi ampiamente presenti sulla Terra.
- Basso costo, perché rispetto ai metalli rari come il litio, le risorse materiali delle batterie al sodio per l'accumulo di energia sono più abbondanti e produttive, quindi il prezzo del sodio è relativamente economico, che è favorevole a ridurre il costo complessivo delle batterie
- Gli ioni di sodio non contengono metalli pesanti che inquinano l'ambiente e hanno un impatto relativamente piccolo sull'ambiente
Svantaggi:
- Volume della batteria maggiore: A causa delle dimensioni maggiori degli ioni sodio, è necessaria una superficie dell'elettrodo più ampia per accogliere più ioni, con conseguente volume maggiore di batterie di accumulo di energia al sodio con determinati requisiti di spazio.
- La stabilità è nella media: soprattutto in ambienti complessi come alta temperatura e alta pressione, gli ioni sodio sono soggetti a reazioni instabili, che potrebbero causare problemi di sicurezza come combustione ed esplosione della batteria, e sono necessarie ulteriori ricerche e sviluppi per risolverli.
- Applicazione commerciale limitata: L’applicazione commerciale delle batterie di accumulo dell’energia al sodio è relativamente limitata, attualmente utilizzato principalmente per sistemi di accumulo di energia su larga scala e per esigenze specifiche di stoccaggio di energia in determinati scenari, come lo stoccaggio dell’energia solare ed eolica.
④ Batteria al nichel-idrogeno
Vantaggio:
- La densità energetica del peso è di 65 Wh/kg, e la densità energetica del volume è aumentata di 200 Wh/L.
- Alta densità di potenza, in grado di accettare correnti maggiori durante le attività di carica e scarica
- Buone prestazioni di scarico a bassa temperatura
- Ciclo di vita elevato
- Rispettoso dell'ambiente e privo di inquinamento
Svantaggi:
- Intervallo di temperatura operativa normale -15-40 ℃, scarse prestazioni alle alte temperature
- Elevato tasso di autoscarica
- Bassa tensione di lavoro, intervallo di tensione di lavoro 1,0-1,4 V
- Batteria al nichel-idrogeno il prezzo è più costoso delle batterie al piombo, ma le prestazioni sono peggiori delle batterie agli ioni di litio
- Perciò, come un tipo di batteria per l'accumulo di energia, non è raccomandato.
⑤ Supercondensatori
Supercondensatori, noti anche come supercondensatori o condensatori a doppio strato, sono un sistema di accumulo di energia che ha attirato l'attenzione dei professionisti del settore. Immagazzinare energia attraverso cariche elettrostatiche.
Rispetto alle batterie, i supercondensatori hanno una potenza maggiore e possono essere caricati e scaricati in un tempo più breve. Rispetto alle batterie, la loro energia specifica è relativamente bassa. Perciò, l'uso più efficace dei supercondensatori è fornire un brevissimo sbalzo di potenza per l'approvvigionamento energetico. Da questa prospettiva, supercondensatori non sono attualmente adatti per lo stoccaggio energetico tradizionale.
Vantaggio:
- Alta densità di potenza
- Breve tempo di ricarica
Svantaggi:
- Bassa densità energetica, soltanto 1-10 Wh/kg
- La durata della batteria è troppo breve
Ecco una scheda tecnica per i supercondensatori e le normali batterie di accumulo dell'energia come riferimento.
⑥ Cella a combustibile
Ne esistono molteplici tipi celle a combustibile, e la loro unicità risiede nelle diverse possibilità di potenziali applicazioni, con ciascun tipo che funziona in modo leggermente diverso. Se l'idrogeno viene utilizzato come combustibile, i prodotti sono energia elettrica, acqua, e calore, che può essere utilizzato per generare elettricità pulita ed efficiente.
Il principio di funzionamento delle celle a combustibile è simile a quello delle batterie, ma non esauriscono la loro potenza né richiedono la ricarica. Finché c'è una fornitura di carburante, genereranno elettricità e calore.
Vantaggio:
- Superiore all'energia
- Elevata capacità individuale
- Alta densità di potenza
- Rispettoso dell'ambiente e privo di inquinamento
Svantaggi:
- Il sistema è complesso e la maturità tecnica è scarsa
- Requisiti elevati di anidride solforosa nell'aria
- È difficile determinare la qualità o la superiorità dell’utilizzo di diversi combustibili come batterie di accumulo dell’energia, poiché la loro durata di servizio varia
⑦ Batteria a flusso
Batterie a flusso sono una tecnologia delle batterie relativamente nuova che sta diventando sempre più popolare nelle applicazioni di accumulo di energia su larga scala.
È una batteria ricaricabile in cui l'elettrolito scorre da uno o più serbatoi di stoccaggio attraverso una cella elettrochimica, immagazzinando e rilasciando energia attraverso l'elettrolita liquido pompato dal pacco batteria.
Allo stesso tempo, la capacità di stoccaggio può essere aumentata aumentando la quantità di elettrolita immagazzinato nel serbatoio.
La separazione del livello di energia e del livello di potenza è una caratteristica prestazionale importante dei sistemi di batterie a flusso.
I tipi principali sono:
Batteria a flusso al vanadio (VRFB)
Può essere completamente scaricato per lungo tempo senza degrado delle prestazioni.
Adatto per lo stoccaggio su larga scala nella rete elettrica, ma costoso nel prezzo.
Batteria a flusso al bromuro di zinco
Ha un'elevata densità energetica e ampie prospettive in termini di costi e durata.
Tuttavia, c'è ancora spazio per migliorare la disponibilità dei materiali, tecnologia, e maturità produttiva.
Vantaggio:
- Prestazioni sicure e affidabili (elettrolita non infiammabile)
- Capacità di scarica profonda
- Ha un'elevata velocità di scarica della carica
- Durata della batteria agli ioni di litio: ciclo di vita fino a 30 anni
- Tempi di risposta rapidi: Passaggio rapido tra carica e scarica, soltanto 0.02 secondi;
Svantaggi:
- Bassa densità di potenza
- Grande ingombro (serbatoio di stoccaggio dell'elettrolito)
- Requisiti di manutenzione più elevati
- Contaminazione incrociata di elettroliti positivi e negativi
- Alcuni richiedono costose membrane a scambio ionico
- Le due soluzioni hanno volumi maggiori ed energie specifiche inferiori
- Bassa efficienza di conversione energetica (65-70%)
Applicazioni adatte:
Stoccaggio energetico su larga scala a lungo termine
Applicazioni che richiedono un basso consumo energetico sostenuto a lungo termine
⑧ Batteria al litio-zolfo
Batteria al litio-zolfo è una batteria ricaricabile con litio come anodo e zolfo come catodo. Appartiene alle batterie al litio, ma come gli ioni sodio, lo zolfo è abbondante anche nelle riserve della Terra e ha le sue caratteristiche di alta qualità.
È disponibile un'introduzione più completa e dettagliata Batteria al litio-zolfo vs. Batteria agli ioni di litio – Come scegliere in questo articolo.
Vantaggio:
- Alta densità di energia, la densità di energia teorica può raggiungere 2600 Wh/kg;
- Basso costo
- Basso consumo energetico
Svantaggi：
- I prodotti solidi della reazione possono bloccare il contatto tra l'elettrolita e l'aria, influenzando il processo di reazione
- La difficoltà tecnica è elevata, e l'implementazione della commercializzazione è ancora in fase di ricerca.
⑨ Batteria al litio ossido di cobalto(LCO, LiCoO2)
Anche la batteria all'ossido di litio cobalto è una batteria al litio , In 6 Tipi chimici di batterie agli ioni di litio tra cui scegliere contiene informazioni dettagliate sulla batteria all'ossido di litio e cobalto (LCO, LiCoO2) è stato introdotto nell'articolo.
Vantaggio:
- Energia specifica elevata (densita 'energia)
- Adatto per piccoli dispositivi elettronici portatili
Svantaggi:
- Non una batteria al litio di lunga durata: in genere ha una durata di vita di 500-1000 cicli
- Il prezzo del cobalto è piuttosto costoso e non conveniente.
- Bassa stabilità termica e potenziali rischi per la sicurezza.
- Limitazione di potenza specifica: La potenza specifica inferiore limita le prestazioni della batteria all'ossido di litio cobalto.
Basato sugli attuali dati di mercato, LCO non è un tipo di batteria particolarmente popolare.
La sua scelta come uno dei tipi considerati di batterie per l'accumulo di energia è dovuta a ricerche come Costruzioni a contratto con lantanide Migliori batterie LiCoO2 ad alta tensione.
Lantanide gli elementi sono anche molto rari in natura, ma il loro contributo alla lunga durata delle batterie è difficile da ignorare.
Le reazioni chimiche delle batterie ai polimeri di litio possono compensare la scarsità di elementi al litio, e anche i diversi tipi di batterie prodotte dalle reazioni di vari elementi danno al mercato più scelte e vitalità.
Oltre a concentrarsi sul mercato mainstream, occorre prestare attenzione anche al futuro sviluppo del settore delle batterie. Si può dire che anche le batterie al litio lantanio e ossido di cobalto sono un tipo di batteria a cui vale la pena prestare attenzione.
Riepilogo
Come si può vedere, la scelta ottimale della batteria per l'accumulo di energia tiene conto dei requisiti di utilizzo di base come la potenza specifica, densita 'energia, costo, sicurezza, e il ciclo di vita.
Le batterie agli ioni di litio hanno buone prestazioni ma costi elevati, mentre le batterie al piombo hanno un costo contenuto ma la loro resistenza complessiva non soddisfa pienamente l’attuale domanda del mercato di stoccaggio dell’energia.
Anche lo sviluppo di batterie agli ioni di sodio e di batterie ai polimeri di litio LCO lantanide è promettente per il futuro.
GycxSolar ha prodotti popolari sul mercato come batterie al piombo e batterie al litio. Benvenuto, sentiti libero di informarti.
