Le batterie delle auto elettriche trovano nuova vita nello stoccaggio di rete
Con il progredire tumultuoso del mercato globale dei veicoli elettrici, emerge una nuova sfida: cosa fare con milioni di batterie agli ioni di litio ritirate dal servizio. Pur avendo una durata che termina tipicamente quando la capacità scende sotto l’80%, queste batterie conservano un potenziale energetico significativo – spesso il 60% o più della loro capacità originale. Invece di destinarle prematuramente a discariche o impianti di riciclaggio, ricercatori e ingegneri stanno volgendo l’attenzione ad applicazioni di seconda vita, specialmente nell’accumulo di energia su scala di rete. Questo cambiamento non solo promette benefici economici, ma si allinea anche con obiettivi di sostenibilità più ampi, prolungando la vita utile di materiali preziosi e riducendo l’impatto ambientale.
Tra i percorsi di riutilizzo più promettenti c’è l’integrazione delle batterie dismesse da veicoli elettrici in sistemi stazionari di accumulo di energia (ESS) per le reti elettriche. Questi sistemi possono aiutare a bilanciare domanda e offerta, integrare fonti di energia rinnovabile e migliorare la stabilità della rete. Tuttavia, la selezione dello scenario applicativo più adatto per un dato lotto di batterie usate è rimasta un processo complesso e spesso soggettivo. Senza una metodologia standardizzata e basata sui dati, gli sviluppatori di progetti e le utility affrontano incertezze nella valutazione di fattibilità tecnica, sostenibilità economica e rischi di sicurezza.
Uno studio recente pubblicato sul Journal of Global Energy Interconnection offre una svolta in questo ambito. Guidato da Xie Hua della Scuola di Ingegneria Elettrica dell’Università di Beijing Jiaotong, insieme ai colleghi Liu Zhe, Kong Depeng e Lei Bo, la ricerca introduce un quadro di valutazione completo progettato per determinare le applicazioni di accumulo di rete più adatte per le batterie di potenza ritirate. L’articolo, intitolato “Metodo di valutazione dell’applicabilità degli scenari per batterie di seconda vita nell’accumulo di energia di rete basato sull’algoritmo VIKOR migliorato”, presenta un approccio sistematico che combina metriche di prestazione tecniche, economiche e di sicurezza per guidare il processo decisionale in progetti reali.
Il volume crescente di batterie dismesse da veicoli elettrici sottolinea l’urgenza di questo lavoro. Soltanto in Cina, dove l’adozione di veicoli elettrici è schizzata alle stelle negli ultimi anni, la produzione e la diffusione di batterie hanno raggiunto livelli senza precedenti. Secondo i dati del settore, le batterie al litio ferro fosfato (LFP) e quelle al litio ternario rappresentano il 97,18% di tutte le batterie di potenza installate. Man mano che questi veicoli raggiungono la fine del loro ciclo di vita, il numero di unità ritirate è destinato a crescere esponenzialmente. Senza strategie di riutilizzo efficaci, questo potrebbe portare a una crisi nella gestione dei rifiuti e a opportunità mancate per il recupero delle risorse.
L’approccio tradizionale alla valutazione delle applicazioni delle batterie di seconda vita è stato spesso frammentato. Alcuni studi si concentrano strettamente sulle prestazioni tecniche, come la durata del ciclo e i tassi di degradazione, mentre altri enfatizzano modelli economici come il valore attuale netto (VAN) o il tasso di rendimento interno (TIR). Le valutazioni di sicurezza, sebbene critiche, sono a volte trattate come un ripensamento. La mancanza di un quadro integrato ha reso difficile confrontare obiettivamente casi d’uso diversi o prioritizzare gli investimenti basandosi su criteri olistici.
Xie Hua e il suo team colmano questa lacuna proponendo un sistema di valutazione tridimensionale che considera le prestazioni tecniche, economiche e di sicurezza come pilastri ugualmente importanti. Ogni dimensione è supportata da una serie di indicatori quantificabili, permettendo una valutazione bilanciata e trasparente. Questo modello decisionale multicriterio non solo è più robusto delle analisi a fattore singolo, ma riflette anche meglio la complessità dei progetti energetici nel mondo reale.
Sul lato tecnico, i ricercatori identificano tre parametri chiave: tasso di ritenzione della capacità, deviazione di capacità e tasso di degradazione della capacità. Il tasso di ritenzione della capacità misura quanta energia utilizzabile una batteria conserva rispetto alla sua capacità originale, fornendo un’istantanea della sua salute attuale. La deviazione di capacità riflette l’inconsistenza tra le singole celle all’interno di un pacco batteria – un fattore critico per l’affidabilità del sistema, poiché celle non corrispondenti possono portare a una carica squilibrata e a un invecchiamento accelerato. Il tasso di degradazione della capacità cattura quanto rapidamente la batteria perde prestazioni nel tempo in condizioni operative specifiche, che variano significativamente a seconda dell’applicazione.
Per la valutazione economica, lo studio incorpora metriche finanziarie standard ampiamente utilizzate nell’analisi dei progetti energetici. Il valore attuale netto (VAN) stima la redditività totale di un sistema di accumulo durante la sua vita utile, tenendo conto sia dei flussi di ricavo che dei costi operativi. Il tasso di rendimento interno (TIR) indica l’efficienza del progetto nel generare rendimenti rispetto all’investimento iniziale, servendo come parametro di riferimento per confrontare usi alternativi del capitale. Il periodo di ammortamento dinamico misura quanto tempo occorre perché i guadagni cumulativi compensino la spesa iniziale, offrendo una visione sul rischio finanziario e sulla liquidità.
La sicurezza, spesso l’aspetto più delicato del riutilizzo delle batterie, viene valutata attraverso un sistema di classificazione a livelli. Attingendo agli standard di sicurezza esistenti, i ricercatori definiscono quattro livelli di stato di sicurezza della batteria, che vanno da “funzionamento normale” a “uso vietato” a causa di fuga termica o grave perdita di elettrolita. Introducono anche un indice del grado di invecchiamento della batteria che correla la diminuzione di capacità con un aumento del rischio di guasto. Quantificando la sicurezza come un indicatore misurabile piuttosto che un giudizio qualitativo, il modello permette confronti di rischio più obiettivi tra scenari diversi.
Ciò che distingue questa ricerca non è solo l’ampiezza del suo quadro di valutazione, ma anche la sofisticatezza della sua metodologia analitica. Il team utilizza una versione migliorata dell’algoritmo VIKOR – una tecnica decisionale multi-attributo nota per bilanciare l’utilità di gruppo e il rimpianto individuale. A differenza dei metodi di classificazione convenzionali che semplicemente ordinano le alternative per punteggio, VIKOR cerca una soluzione di compromesso che massimizza la soddisfazione collettiva minimizzando allo stesso tempo l’insoddisfazione tra gli stakeholder.
Per affinare la ponderazione di ogni criterio di valutazione, i ricercatori combinano due tecniche consolidate: il metodo CRITIC e il metodo del peso entropico. Il metodo CRITIC (Criteria Importance Through Intercriteria Correlation) valuta l’intensità di contrasto e il conflitto tra gli indicatori, assegnando pesi più elevati a quelli che hanno un maggior potere discriminativo. Il metodo del peso entropico, radicato nella teoria dell’informazione, determina i pesi in base alla dispersione dei dati – gli indicatori con una variabilità maggiore ricevono un’importanza superiore. Integrando questi due approcci, il modello raggiunge uno schema di ponderazione più bilanciato e meno distorto di quanto potrebbe fornire ciascun metodo da solo.
Il processo di valutazione è ulteriormente rafforzato incorporando principi decisionali di gruppo. Riconoscendo che diversi stakeholder – ingegneri, finanziatori, regolatori – possono prioritizzare i criteri in modo differente, il modello permette intervalli di peso regolabili entro limiti predefiniti. Questa flessibilità assicura che la raccomandazione finale rifletta un risultato orientato al consenso piuttosto che una classificazione rigida e universale.
Per convalidare il loro approccio, i ricercatori lo applicano a tre scenari rappresentativi di accumulo di rete: arbitraggio picco-valle, livellamento della produzione di energia rinnovabile e servizi ausiliari di modulazione della frequenza. Ogni scenario rappresenta un profilo operativo distinto con richieste uniche sulle prestazioni della batteria.
L’arbitraggio picco-valle implica la ricarica delle batterie durante le ore di basso consumo quando i prezzi dell’elettricità sono bassi e la scarica durante i periodi di picco quando i prezzi sono alti. Questa applicazione richiede tipicamente cicli profondi – fino all’80% di profondità di scarica (DOD) – e tassi di carica/scarica relativamente lenti (ad esempio, 0,2C). Sebbene economicamente attraente nelle regioni con ampi differenziali di prezzo, sottopone le batterie a stress significativo, accelerandone la degradazione.
Il livellamento della produzione di energia rinnovabile mira a mitigare la variabilità della generazione eolica e solare immagazzinando l’energia in eccesso durante l’alta produzione e rilasciandola durante le pause. Questo caso d’uso di solito implica una DOD moderata (circa il 20%) ma cicli frequenti, a volte più volte al giorno. L’obiettivo è fornire alla rete un output stabile e dispacciabile, migliorando la prevedibilità delle fonti rinnovabili.
La modulazione della frequenza, o regolazione della frequenza, è una delle applicazioni più impegnative per l’accumulo a batteria. Richiede una risposta rapida ai segnali della rete, spesso coinvolgendo burst di alta potenza a 2C o superiori, con centinaia di cicli al giorno. Sebbene questo servizio possa generare elevati ricavi grazie al suo ruolo critico nella stabilità della rete, impone uno stress termico e meccanico estremo alle batterie, portando a un usura più rapida e a maggiori rischi per la sicurezza.
Utilizzando dati reali di batterie LFP ritirate con una capacità iniziale di 0,75 kWh, il team conduce un’analisi comparativa tra questi tre scenari. I loro risultati rivelano chiari compromessi. In termini di prestazioni tecniche, l’applicazione di livellamento delle rinnovabili mostra la più alta compatibilità, poiché il regime di ciclazione moderato si allinea bene con la salute residua delle batterie. Tuttavia, dal punto di vista economico, l’arbitraggio picco-valle emerge come il più redditizio, grazie alle favorevoli strutture di prezzo dell’elettricità nella regione del test (un parco industriale suburbano di Pechino). La modulazione della frequenza, nonostante il suo alto potenziale di ricavo, ottiene punteggi scarsi in economia a causa della degradazione accelerata e della durata di vita più breve del sistema, che erodono i rendimenti netti.
Le valutazioni di sicurezza affinano ulteriormente i risultati. Tutti e tre gli scenari sono considerati accettabili sotto le soglie di sicurezza del modello, ma l’arbitraggio picco-valle e il livellamento delle rinnovabili mostrano indici di sicurezza più elevati grazie a condizioni operative meno aggressive. La modulazione della frequenza, sebbene tecnicamente fattibile, presenta un profilo di rischio più alto, specialmente man mano che le batterie invecchiano e la loro gestione termica diventa meno efficace.
Quando tutte le dimensioni vengono integrate utilizzando l’algoritmo VIKOR migliorato, la classifica complessiva di applicabilità diventa evidente: l’arbitraggio picco-valle si classifica al primo posto, seguito dal livellamento della produzione da rinnovabili, con la modulazione della frequenza che esce dalla contesa a causa del suo punteggio economico negativo. Questo risultato evidenzia un’intuizione cruciale – l’applicazione tecnicamente più adatta non è necessariamente la più economicamente sostenibile o la più sicura. I decisori devono quindi adottare una visione olistica che tenga conto di tutte e tre le dimensioni.
Le implicazioni di questa ricerca vanno oltre l’interesse accademico. Per i riciclatori di batterie, gli sviluppatori di accumuli di energia e i pianificatori delle utility, il metodo di valutazione proposto offre uno strumento pratico per ottimizzare l’utilizzo delle risorse. Invece di affidarsi all’intuizione o a dati frammentati, gli stakeholder possono ora applicare un processo standardizzato e trasparente per abbinare le batterie ritirate alle loro applicazioni migliori. Ciò non solo migliora l’economia dei progetti, ma aumenta anche l’affidabilità del sistema e la fiducia del pubblico nelle tecnologie delle batterie di seconda vita.
Inoltre, la metodologia supporta lo sviluppo di sistemi di passaporto delle batterie – registri digitali che tracciano la storia, le prestazioni e l’idoneità al riutilizzo di una batteria. Man mano che i quadri normativi evolvono, come il Regolamento sulle batterie dell’Unione Europea, che impone requisiti di sostenibilità e tracciabilità, strumenti come quello sviluppato dal team di Xie Hua diventeranno essenziali per la conformità e l’accesso al mercato.
Lo studio apre anche strade per future ricerche. Sebbene il modello attuale si concentri sulle batterie LFP, il quadro può essere adattato ad altre chimiche, incluso il nichel-manganese-cobalto (NMC) e le batterie agli ioni di sodio. Inoltre, incorporare dati di monitoraggio in tempo reale dai sistemi di gestione della batteria (BMS) potrebbe permettere una rivalutazione dinamica dell’applicabilità man mano che le condizioni della batteria evolvono nel tempo. Miglioramenti con l’apprendimento automatico potrebbero ulteriormente affinare le previsioni identificando modelli di degradazione non lineari e modalità di guasto nascoste.
In conclusione, il lavoro di Xie Hua, Liu Zhe, Kong Depeng e Lei Bo rappresenta un significativo passo avanti nella gestione sostenibile delle batterie dismesse da veicoli elettrici. Fornendo un metodo di valutazione rigoroso e multidimensionale basato su dati reali e teorie decisionali avanzate, offrono una soluzione tanto necessaria a una delle sfide più pressanti nella transizione energetica pulita. Mentre il mondo si muove verso una decarbonizzazione più profonda, la capacità di riutilizzare le risorse esistenti in modo efficiente e sicuro sarà chiave per costruire sistemi energetici resilienti e a basse emissioni di carbonio.
I risultati sottolineano un principio più ampio: le strategie di economia circolare nel settore energetico non sono solo ambientalmente valide – sono economicamente intelligenti. Estendendo la vita delle batterie attraverso un riutilizzo intelligente, la società può ridurre i rifiuti, conservare le risorse e sbloccare nuovi flussi di valore. Questa ricerca apre la strada a un futuro in cui nessuna batteria è veramente “ritirata”, ma trova invece un nuovo scopo nell’alimentare una rete più pulita e sostenibile.
Scenario Applicability Evaluation Method of Second-life Batteries for the Grid Energy Storage Based on the Improved VIKOR Algorithm di Xie Hua, Liu Zhe, Kong Depeng, Lei Bo, Journal of Global Energy Interconnection, DOI: 10.19705/j.cnki.issn2096-5125.2024.02.010