Sicurezza e stabilità termica nei sistemi di accumulo di energia stazionari (BESS)

Temperatura di innesco e comportamento di propagazione della fuga termica: LFP rispetto a NMC

Per quanto riguarda la stabilità termica, le batterie al litio ferro fosfato (LFP) si distinguono rispetto alle alternative al nichel manganese cobalto (NMC), rendendole molto più sicure per l’uso nei sistemi stazionari di accumulo di energia elettrica (BESS). La corsa termica si verifica intorno ai 270 gradi Celsius nelle batterie LFP, valore nettamente superiore alla fascia di temperatura compresa tra 150 e 200 gradi in cui le batterie NMC iniziano a guastarsi. Questa differenza è dovuta ai legami fosfato-ossigeno più forti presenti nelle batterie LFP e alla minima liberazione di ossigeno durante la loro decomposizione. Qual è il vantaggio pratico? Le celle LFP producono circa l’80% in meno di gas infiammabili rispetto alle controparti e rilasciano calore a un tasso pari o inferiore a 5 gradi Celsius al secondo in caso di anomalia, impedendo così facilmente la propagazione dell’incendio da una cella all’altra. D’altro canto, le batterie NMC presentano reazioni di rapida combustione ed emettono gas che richiedono diversi livelli di protezione, inclusi sistemi di raffreddamento a liquido, adeguati impianti di ventilazione e persino sistemi di soppressione degli incendi, al fine di prevenire reazioni a catena una volta che una singola cella raggiunge temperature eccessive.

Implicazioni a livello di sistema: In che modo la complessità della gestione termica influisce sull'affidabilità e sulle spese operative (OPEX)

La stabilità termica integrata nelle batterie LFP rende molto più semplice gestire i problemi di raffreddamento e, in generale, ne garantisce una maggiore affidabilità nel tempo. La maggior parte degli impianti basati su NMC richiede complessi sistemi di raffreddamento a liquido, unitamente a ulteriori misure di sicurezza, solo per evitare situazioni pericolose di surriscaldamento. Le soluzioni di accumulo energetico basate su LFP, invece, funzionano spesso bene anche con semplici sistemi di raffreddamento ad aria o addirittura con circuiti di raffreddamento a liquido di base. Queste differenze si traducono in effettivi risparmi economici. I dati parlano chiaramente: i sistemi NMC finiscono per costare tra il 30 e il 50 percento in più in termini di spese operative, a causa del loro elevato consumo di energia per il raffreddamento, della necessità di manutenzione continua di alcune componenti e dell’inclusione di tutte quelle caratteristiche di sicurezza ridondanti. Test condotti nella pratica indicano che le configurazioni LFP presentano circa il 20 percento in meno di arresti improvvisi non programmati e richiedono interventi di manutenzione con minor frequenza. Per strutture in cui i guasti del sistema non sono ammissibili e la previsione dei costi riveste un’importanza cruciale, queste caratteristiche prestazionali rendono le batterie LFP una scelta pratica, nonostante quanto alcuni possano considerarne i limiti.

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Ciclo di vita e degradazione a lungo termine negli impianti di accumulo energetico nel mondo reale

Degradazione durante il ciclo parziale di carica (ad es. autoconsumo solare, arbitraggio sulla rete)

Quando si tratta di cicli a stato di carica parziale – una condizione che osserviamo costantemente nei sistemi fotovoltaici e negli impianti di accumulo per la rete elettrica – le batterie al litio ferro fosfato (LFP) si distinguono nettamente rispetto alle alternative al nichel manganese cobalto (NMC). La maggior parte di queste applicazioni preleva energia solo parzialmente, operando generalmente in un intervallo di carica compreso tra il 20% e l’80% durante l’intero ciclo operativo. Questo tipo di utilizzo esercita una sollecitazione estremamente ridotta sulla stabile struttura olivina che costituisce i catodi LFP. Analizzando i dati prestazionali reali, le batterie LFP tendono a perdere capacità a circa metà della velocità delle batterie NMC quando sottoposte a condizioni analoghe di stato di carica parziale (PSOC). Secondo il rapporto BloombergNEF del 2023, una batteria LFP conserva ancora oltre l’80% della sua capacità originale dopo aver completato 4.000 cicli di carica con una profondità di scarica del 50%, mentre la maggior parte delle batterie NMC raggiunge lo stesso valore già dopo circa 2.000 cicli. La situazione peggiora ulteriormente per le batterie NMC in contesti in cui vengono sottoposte continuamente a cariche e scariche di piccola entità: la loro struttura catodica a ossido stratificato tende a creparsi nel tempo, soprattutto a causa della loro curva di tensione più ripida e della maggiore sensibilità alle variazioni della temperatura ambiente.

Dati sulle prestazioni sul campo (2020–2024): durata utile mediana delle batterie LFP rispetto a quelle NMC nei sistemi di accumulo per uso residenziale e commerciale/industriale (BESS)

Dati reali provenienti da 12.000 installazioni (2020–2024) confermano il vantaggio della LFP in termini di longevità in tutti i segmenti applicativi:

*Definita come numero di anni fino al raggiungimento dell’80% della capacità residua

Le differenze tra i sistemi C&I diventano particolarmente evidenti perché questi ultimi subiscono cicli più frequenti ed sono costantemente esposti a temperature variabili. Per le batterie NMC, la dipendenza dal cobalto comporta un degrado più rapido non appena le temperature superano i 25 gradi Celsius. I test condotti nella realtà dimostrano che queste batterie perdono circa il 2,1% della loro capacità ogni anno, rispetto all’1,2% delle batterie LFP in condizioni climatiche normali. Analizzando il quadro su un arco temporale di quindici anni, ciò significa sostituire le batterie LFP il 40% in meno rispetto alle batterie NMC, riducendo sia i costi legati all’acquisto di nuove batterie sia il tempo perso per la manutenzione dei sistemi. Inoltre, le batterie LFP gestiscono meglio il calore e quindi hanno una maggiore durata negli spazi ristretti, dove l’installazione di adeguati sistemi di raffreddamento è impossibile o troppo costosa.

Costo totale di proprietà: costo iniziale, costo levelizzato dell’energia (LCOE) ed economia dei materiali

NMC, dipendente dal cobalto, contro LFP, ricca di fosfato di ferro: costo delle materie prime e resilienza della catena di approvvigionamento

Le catene di approvvigionamento per le batterie NMC presentano alcuni seri problemi in termini di stabilità, principalmente a causa dell'imprevedibilità dei prezzi del cobalto e della provenienza politica della maggior parte del cobalto mondiale. Consideri quanto accaduto ai prezzi del cobalto: sono impazziti, registrando oscillazioni superiori al trecento per cento dal 2020 fino al 2024, secondo i dati di Benchmark Mineral Intelligence pubblicati lo scorso anno. Questo tipo di fluttuazione estrema rende davvero difficile per i produttori pianificare correttamente i propri bilanci. D'altro canto, la tecnologia LFP elude completamente questi problemi, poiché utilizza ferro e fosfato invece del cobalto. Questi materiali sono molto più facilmente reperibili in diverse parti del mondo e per essi esiste già un’infrastruttura mineraria ben consolidata, che non solleva particolari preoccupazioni etiche. Il risultato? Le aziende possono risparmiare circa il trenta per cento sui costi delle materie prime, evitando nel contempo le complesse questioni etiche legate alle piccole operazioni estrattive di cobalto. Secondo un rapporto di Wood Mackenzie pubblicato nel 2023, le catene di approvvigionamento LFP presentano un rischio legato all’instabilità politica circa il quaranta per cento inferiore rispetto a quelle NMC. Questa minore vulnerabilità offre agli investitori una maggiore tranquillità riguardo alle prospettive di finanziamento a lungo termine e garantisce che i componenti saranno effettivamente disponibili quando necessari.

Confronto del costo livellato dell'energia elettrica (LCOE) su un arco di vita del sistema di 10 anni

Le batterie LFP tendono ad avere un costo livellato dell'energia elettrica (LCOE) più basso, che misura il costo di produzione di ogni chilowattora nel tempo, anche se presentano inizialmente un prezzo leggermente più elevato. È vero che le batterie NMC sono più economiche all’acquisto, con un risparmio del 15–20 percento circa. Tuttavia, analizzando più a fondo, le batterie LFP hanno una durata maggiore, con circa 6.000 cicli rispetto ai circa 4.000 delle batterie NMC. Inoltre, le batterie LFP si degradano più lentamente durante le operazioni a stato di carica parziale e richiedono una gestione termica meno intensiva. Secondo una ricerca del NREL pubblicata lo scorso anno, le batterie LFP consentono in realtà un miglioramento dell’LCOE del 10–15 percento dopo dieci anni, quando utilizzate per sistemi di accumulo su larga scala nella rete elettrica. In termini pratici, le aziende che installano sistemi di accumulo energetico basati su batterie possono risparmiare da 120.000 a 180.000 dollari per megawattora installato, grazie alla minore frequenza di sostituzione dei sistemi e ai minori costi associati ai requisiti di raffreddamento.

Compromessi tra densità energetica, ingombro e erogazione di potenza

Impatto della densità volumetrica e gravimetrica sulle installazioni commerciali con vincoli di spazio

Per i sistemi commerciali di accumulo di energia basati su batterie, la quantità di energia immagazzinata per litro è un fattore determinante per valutarne la fattibilità effettiva. Ciò è particolarmente vero nelle città, dove ogni metro quadrato conta, ad esempio nei centri commerciali o nelle grandi strutture logistiche. Confrontiamo le batterie NMC con quelle LFP: le prime immagazzinano dal 30 al 50 percento in più di energia nello stesso volume. Parliamo di circa 350–500 Wh/L rispetto ai soli 200–300 Wh/L delle LFP. Questa differenza è decisiva quando si deve integrare l’intero sistema in spazi ristretti. La densità gravimetrica, invece, che misura l’energia per chilogrammo, influenza la quantità di supporto strutturale eventualmente necessaria. Tuttavia, nella pratica, la maggior parte degli operatori non presta particolare attenzione al peso durante l’installazione di questi sistemi, poiché vengono generalmente fissati in posizione.

Quando si tratta di installare pannelli solari sulla sommità di edifici esistenti o di effettuare interventi di riqualificazione in cui semplicemente non è disponibile spazio aggiuntivo per operare, le batterie NMC risultano spesso più convenienti rispetto a quelle LFP, nonostante il loro costo totale di proprietà più elevato. Secondo una ricerca pubblicata lo scorso anno sui sistemi di rete, l’impiego di batterie LFP richiede da un minimo del 25% a quasi il 40% in più di spazio per la stessa capacità di accumulo di energia. Ciò si traduce in un incremento dei costi di installazione di circa quindici-trenta dollari per chilowattora, poiché tutti gli altri costi aumentano quando vengono distribuiti su aree più estese. Va comunque sottolineato che le opzioni al litio ferro fosfato rimangono concorrenti molto valide per fabbriche e nuovi sviluppi immobiliari, dove ampie superfici libere rendono le dimensioni meno rilevanti. Nel corso degli anni di funzionamento, le caratteristiche di sicurezza, la maggiore durata e i minori costi di manutenzione continua conferiscono alle batterie LFP reali vantaggi competitivi che si accumulano progressivamente.

Domande Frequenti

Quali sono le principali differenze in termini di stabilità termica tra batterie LFP e NMC?

Le batterie LFP hanno una temperatura più elevata di runaway termico, pari a circa 270 gradi Celsius, rispetto alle 150-200 gradi Celsius delle batterie NMC. Le celle LFP producono circa l’80% in meno di gas infiammabile e rilasciano calore a un ritmo più lento, rendendole più sicure nei sistemi di accumulo stazionari per veicoli elettrici (BESS).

In che modo le batterie LFP influenzano i costi operativi complessivi (OPEX)?

Grazie alla loro superiore stabilità termica, le batterie LFP richiedono sistemi di raffreddamento e misure di sicurezza meno complessi. Ciò comporta una riduzione dei costi operativi del 30-50% rispetto ai sistemi NMC.

Come si confronta la durata in cicli delle batterie LFP con quella delle batterie NMC in condizioni di carica parziale (PSOC)?

Le batterie LFP perdono capacità a una velocità pari a circa la metà di quella delle batterie NMC quando sottoposte a condizioni di carica parziale (PSOC), mantenendo oltre l’80% della capacità dopo 4.000 cicli, rispetto ai 2.000 cicli delle batterie NMC in condizioni analoghe.

Qual è l’impatto dei costi delle materie prime sulle catene di approvvigionamento LFP rispetto a quelle NMC?

Le batterie LFP utilizzano ferro e fosfato, materiali abbondanti, evitando così i problemi etici ed economici legati al cobalto impiegato nelle batterie NMC. Ciò comporta una riduzione del 30% dei costi delle materie prime per le batterie LFP.

Quale tipo di batteria è più adatto per installazioni con limitazioni di spazio?

Per siti con limitazioni di spazio, le batterie NMC sono preferibili grazie alla loro maggiore densità volumetrica e gravimetrica, nonostante il costo totale di proprietà più elevato.