Energiasűrűség kontra élettartam: mi számít igazán a helyhez kötött tárolásnál?

Nel confronto fra tecnologie di accumulo c’è un numero che viene citato più di ogni altro: la densità energetica, i watt-ora per chilogrammo. È il parametro che ha guidato vent’anni di sviluppo delle batterie, per una ragione semplice: le batterie si sono sviluppate soprattutto per cose che si muovono. Un telefono, un attrezzo, un’auto.

Per un accumulo stazionario quel numero conta molto meno di quanto si creda, e questo articolo spiega perché — e quale parametro guardare al suo posto.

Il compromesso, detto in chiaro

Le celle polianioniche NFPP hanno una densità energetica di 100–120 Wh/kg. Il litio ferro fosfato sta fra 120 e 180, il nichel-manganese-cobalto fra 220 e 280.

Letta da sinistra a destra, la tabella sembra una classifica in cui il sodio arriva ultimo. Letta nelle due colonne insieme, racconta un’altra cosa: le due grandezze si muovono in direzioni opposte. Il nichel-manganese-cobalto ha la densità più alta e i cicli più bassi. Il sodio polianionico ha la densità più bassa e i cicli più alti. Non è una coincidenza, è fisica.

Perché non si possono avere entrambe

Un catodo immagazzina energia ospitando ioni in una struttura cristallina. Ci sono due modi di progettare quella struttura, e sono in tensione fra loro.

Si può renderla densa e leggera: pochi atomi che non partecipano alla reazione, molti siti disponibili per gli ioni, massa concentrata dove serve. È la strada degli ossidi stratificati, e produce l’energia specifica più alta. Il costo è che la struttura si dilata e si contrae a ogni ciclo, e a forza di respirare perde ordine.

Oppure si può renderla rigida: si costruisce un’impalcatura tridimensionale con gruppi fosfato e pirofosfato che tengono il reticolo in posizione. Gli ioni entrano ed escono senza che la struttura si deformi. Il costo è che quei gruppi hanno una massa, e quella massa non immagazzina energia — è struttura portante.

La densità energetica che il catodo polianionico non ha è esattamente il peso dell’impalcatura che gli dà la durata.

Chiedere a una chimica entrambe le cose è come chiedere a un edificio di avere pareti sottili e resistere al terremoto.

Quanto pesa davvero, in pratica

Tradotto su un sistema domestico: a parità di capacità installata, un accumulo al sodio polianionico è più ingombrante e più pesante di uno a litio ferro fosfato. Su un armadio che sta contro un muro, in un garage o in un locale tecnico, questo si traduce in qualche centimetro di profondità e qualche decina di chili in più.

Vale la pena chiedersi quando questo costituisce un problema reale. Se la batteria deve salire su un tetto, entrare in un vano preesistente stretto, o essere montata a parete su una struttura leggera, il volume e il peso vanno verificati in fase di sopralluogo — come si verifica qualunque altro vincolo di installazione. In un locale tecnico a pavimento, che è la situazione di gran lunga più frequente, la differenza non ha conseguenze pratiche.

Ciò che non cambia mai è questo: una batteria stazionaria viene sollevata una volta sola, il giorno dell’installazione. Da quel momento i watt-ora per chilogrammo non incidono più su nulla. Non sul rendimento, non sulla bolletta, non sulla durata.

Il parametro da guardare

Se la densità energetica non è il criterio giusto per lo stazionario, qual è?

È il costo dell’energia effettivamente ciclata lungo la vita del sistema — in letteratura LCOS, A tárolás átlagos költsége. In prima approssimazione si ottiene dividendo il costo totale del sistema per la quantità di energia che quel sistema riuscirà a far transitare prima di arrivare a fine vita.

Il punto è che al denominatore ci sono i cicli. Due batterie con lo stesso prezzo di listino e la stessa capacità, ma con un numero di cicli diverso, hanno costi per kWh accumulato profondamente diversi — e questa differenza non si vede in nessun confronto fatto sul prezzo d’acquisto.

Contano poi tre grandezze che il prezzo di listino non mostra:

• az’efficienza di andata e ritorno, perché ogni punto perso è energia che si dissipa in calore a ogni singolo ciclo, per tutta la vita del sistema. Le celle NFPP misurano il 97%;
• a profondità di scarica utilizzabile, perché una capacità nominale di cui si può usare solo una parte è una capacità nominale gonfiata. I 9.000 cicli delle celle NFPP sono dichiarati al 95% di DoD, cioè svuotando quasi completamente la batteria a ogni ciclo;
• a resa alle temperature reali del luogo di installazione, non a 25 °C di laboratorio — il tema di un approfondimento a parte.

Abbiamo applicato questo metodo alla generazione attuale dei sistemi Heiwit in un articolo dedicato al calcolo dell’LCOS. I valori aggiornati per la generazione a celle polianioniche saranno pubblicati alla commercializzazione, quando le specifiche di sistema saranno definitive.

Quando la scelta sarebbe opposta

Per onestà del ragionamento, va detto dove questo compromesso non regge.

In un veicolo elettrico ogni chilogrammo di batteria è massa da accelerare, frenare e trasportare per tutta la vita del mezzo: lì la densità energetica non è un parametro fra gli altri, è a parametro. Lo stesso vale per l’elettronica portatile, per gli attrezzi a batteria e per qualunque applicazione in cui il peso si paga a ogni utilizzo.

Per questo il sodio non sostituirà il litio ovunque, e chi lo racconta come una tecnologia che “batte il litio” sta semplificando fino a sbagliare. Sono chimiche con vocazioni diverse. L’accumulo stazionario abbinato al fotovoltaico è l’applicazione in cui le proprietà del sodio polianionico — durata, stabilità termica, tolleranza al freddo, indipendenza da litio e cobalto — valgono più di ciò a cui rinuncia.

Gyakran ismételt kérdések

Una batteria al sodio è più grande di una al litio?

Sì, a parità di capacità in kWh. La differenza è di qualche centimetro e qualche decina di chili su un sistema domestico, e va verificata in sopralluogo solo se lo spazio disponibile è vincolato.

Meno Wh/kg significa che rende meno?

No. La densità energetica descrive quanta energia sta in un chilogrammo, non quanta ne viene restituita. L’energia restituita a ogni ciclo dipende dall’efficienza — 97% per le celle NFPP — e dalla profondità di scarica utilizzabile.

Che cos’è l’LCOS?

A tárolás átlagos költsége: il costo di ogni kWh che transita per la batteria lungo tutta la sua vita, ottenuto rapportando il costo totale del sistema all’energia complessivamente ciclata. È il parametro che rende confrontabili batterie con prezzi, capacità e durate diverse.

Perché non si progetta un catodo denso e rigido insieme?

Perché la rigidità si ottiene aggiungendo al reticolo gruppi che lo tengono in posizione, e quei gruppi hanno una massa che non partecipa allo stoccaggio dell’energia. Densità e stabilità strutturale competono per lo stesso spazio e la stessa massa.