Prospettive sulla diffusione delle batterie agli ioni di litio per lo stoccaggio in rete

Come consumatore di energia, la vostra aspettativa generale è che le luci si accendano ogni volta che girate un interruttore. Quando inserisci un dispositivo in una qualsiasi presa della tua casa, ti aspetti che la corrente fluisca immediatamente. Questo se hai pagato le tue bollette in tempo, naturalmente.

Potreste basare le vostre aspettative sulla vostra fiducia nella rete elettrica regionale, che funziona sulla premessa che la rete ha una fornitura infinita di energia. Eppure, la verità è molto più intricata. Questo articolo si concentra su come funziona la rete elettrica e sul ruolo svolto dalle batterie agli ioni di litio.

La griglia: Cos'è e come funziona?

L'elettricità che usi nella tua casa o nel tuo posto di lavoro ti viene consegnata attraverso una complessa rete di linee di trasmissione elettrica. Queste linee di trasmissione di energia e i loro componenti elettrici costituiscono collettivamente la rete della rete elettrica.

La rete è progettata per fornire energia senza soluzione di continuità ogni volta che ne hai bisogno. Tuttavia, la distribuzione dell'elettricità è molto più complicata che premere un interruttore. La rete ti collega a un'ampia varietà di produttori di energia elettrica da varie località. Queste centrali generano anche elettricità da una vasta gamma di fonti, compresi i combustibili fossili, il solare, l'eolico e l'idroelettrico, tra gli altri. La rete si basa su diverse soluzioni tecnologiche per fare il suo lavoro in modo efficace.

La rete: Gestire la domanda e l'offerta di elettricità

L'elettricità presenta la facciata di essere sempre disponibile nelle vostre prese di corrente in attesa di essere usata, perché, quando girate l'interruttore, la rete vi fornisce immediatamente la corrente. Eppure, la produzione e il consumo di elettricità variano durante un ciclo di 24 ore.

Gli operatori di rete regolano continuamente i sistemi di alimentazione per bilanciare la diversa offerta e domanda di elettricità. Durante il giorno, la maggior parte dell'energia nei centri urbani viene consumata negli uffici e nelle fabbriche quando la gente va al lavoro. Di notte, invece, la maggior parte della domanda di elettricità è nelle aree residenziali per alimentare e illuminare le case.

Lacrescente popolarità delle energie rinnovabili si è aggiunta alle dinamiche che gli operatori di rete devono affrontare. L'output di potenza della maggior parte degli impianti di energia rinnovabile varia a seconda della disponibilità della risorsa, il che è evidente nei casi dell'energia eolica e solare. L'energia eolica è disponibile solo quando c'è vento e l'energia solare quando c'è il sole. Come tale, gli operatori di rete devono gestire anche la loro fornitura di elettricità per migliorare l'affidabilità.

Diversi paesi in Europa e in altre parti del mondo hanno dato la priorità alla fornitura di energia rinnovabile. In questi casi, l'elettricità generata da risorse rinnovabili deve essere acquistata immediatamente. Tuttavia, gli impianti di energia rinnovabile spesso producono più energia di quella richiesta dalla rete. Gli operatori di rete possono spegnere i combustibili fossili e le centrali termiche per conservare il carburante quando la domanda di elettricità è bassa. Tuttavia, non si può spegnere il sole o il vento. Questa fornitura in eccesso di elettricità è la ragione per lo sviluppo dei sistemi di stoccaggio dell'energia di rete.

Capire lo stoccaggio di energia in rete

L'immagazzinamento di energia in rete è noto anche come immagazzinamento di energia su larga scala. Per definizione, il riferimento allo stoccaggio dell'elettricità in eccesso è un paradosso perché l'elettricità stessa non può essere immagazzinata1. Tuttavia, è possibile convertirla in altre forme di energia che possono essere immagazzinate e ritrasformate in elettricità su richiesta. Questa conversione dell'elettricità in forme di energia immagazzinabili è la tecnologia alla base del Grid Energy Storage.

Il tipo più comune di immagazzinamento di energia in rete è usato nei sistemi di energia idroelettrica. Quando l'elettricità è economica, o la domanda è bassa, gli operatori dell'impianto pompano l'acqua in una diga alta o in un serbatoio. Quest'acqua viene poi rilasciata durante i picchi di domanda attraverso i tubi per azionare le turbine di potenza1. Diversi altri tipi di immagazzinamento di energia in rete includono batterie, energia su rotaia, volani, supercapacitori e altri.

Stazioni di alimentazione con batterie agli ioni di litio

Le batterie funzionano convertendo l'elettricità in energia chimica che può facilmente generare elettricità su richiesta. L'energia immagazzinata nelle batterie può essere prodotta solo come corrente continua (DC). Tuttavia, la rete funziona tipicamente con corrente alternata (AC). Per questo motivo, le centrali elettriche a batteria hanno bisogno di componenti elettronici aggiuntivi come gli inverter per convertire la corrente continua in alternata.

L'uso delle batterie per sostenere la rete è iniziato negli anni '80 con le batterie al piombo. Man mano che diversi minerali e tecnologie si riducevano di prezzo, le batterie al nichel-cadmio e al sodio-zolfo divennero popolari. Dal 2010, le batterie agli ioni di litio (LIB) sono diventate la tecnologia di scelta per applicazioni di stoccaggio su piccola e grande scala.

La popolarità della batteria agli ioni di litio per lo stoccaggio della rete

Lebatterie agli ioni di litio rappresentano attualmente più del 90% dei sistemi di immagazzinamento delle batterie di rete nel mondo. Il costo delle batterie al litio è sceso costantemente negli ultimi dieci anni. Come l'energia solare, i prezzi ridotti hanno reso la tecnologia agli ioni di litio significativamente redditizia.

Per questo motivo, sempre più utility di rete si stanno allontanando dalle batterie convenzionali e investono in batterie agli ioni di litio per lo stoccaggio di energia. Negli Stati Uniti, i fornitori di servizi sono passati dall'utilizzare circa 80,6 MWh di stoccaggio nel 2013 a quasi 650 MWh nel 20172. Oltre alla convenienza, ecco alcune ragioni per cui le batterie agli ioni di litio stanno diventando sempre più popolari.

L'alta densità energetica del litio

La densità di energia è la quantità di energia che una batteria contiene per unità di massa o capacità. Definire la densità di una batteria in base al suo peso è detto densità di energia gravimetrica. Si misura in Watt-ora per chilogrammo (W-ora/Kg).

Se si definisce la densità di energia per la capacità della batteria, si chiama densità di energia volumetrica. Le batterie agli ioni di litio sono così popolari perché il litio contiene le più alte densità di energia al mondo.

Applicazioni delle batterie agli ioni di litio

Se avete familiarità con i sistemi autonomi di case solari, sapete che usano banchi di batterie per fornire energia durante la notte. Tuttavia, le batterie per l'immagazzinamento in rete hanno una gamma più ampia di applicazioni. È possibile progettare questi sistemi per riempire le lacune create dalle inadeguatezze della rete. Questi includono

• Potenza di picco a breve termine
• Picchi di potenza di rasatura
• Servizi accessori
• Riserva di risposta in frequenza
• Interruzione di corrente

Alimentazione di picco a breve termine

I sistemi di alimentazione hanno due tipi di regimi di potenza. Questi sono la potenza continua e la potenza di picco. La potenza continua è la quantità di potenza che può essere fornita in modo sostenibile senza interruzione.

In alternativa, la potenza di picco è la quantità massima di potenza che un alimentatore può sostenere. Può essere sostenuta solo per brevi periodi che vanno dai millisecondi ai secondi. Se viene fornita per più di qualche secondo, può danneggiare l'alimentatore o gli apparecchi.

Diversi apparecchi elettromeccanici motorizzati assorbono una quantità maggiore di energia quando si avviano rispetto al funzionamento normale. Questi apparecchi possono richiedere fino a tre volte più potenza per avviarsi. Esempi di tali dispositivi sono ventilatori, attuatori, pompe e altri.

Lo stoccaggio delle batterie agli ioni di litio può fornire la potenza istantanea aggiuntiva necessaria durante i picchi di potenza. Questa configurazione può salvare l'operatore di rete dall'uso di costose fonti di elettricità e centrali elettriche di picco per soddisfare il divario nella fornitura di energia.

Applicazioni di Peak Shaving

I mercati dell'elettricità non sono guidati solo dalla fornitura di energia, ma anche dalle tendenze della domanda di elettricità. I consumatori commerciali di energia capiscono che le tariffe elettriche della rete variano durante il giorno. Nei momenti in cui la domanda è bassa, il sistema vi addebita delle tariffe off-peak. Tuttavia, quando la domanda è alta, l'energia viene fornita a prezzi maggiorati.

Il peak shaving si riferisce all'uso di fonti di energia alternative per soddisfare la domanda di elettricità durante le ore di punta, mantenendo bassi i costi delle utenze senza cambiare gli orari o le uscite.

I sistemi di immagazzinamento in rete agli ioni di litio sono eccellenti per le applicazioni di peak shaving. Durante le ore non di punta, le centrali di immagazzinamento delle batterie possono usare l'elettricità a basso costo per caricare i banchi di batterie agli ioni di litio. Possono poi venderla con un profitto durante le ore di punta.

La riduzione dei picchi sta anche guadagnando popolarità tra gli utenti domestici nelle applicazioni di gestione della domanda. I proprietari di case caricano le loro batterie agli ioni di litio utilizzando l'energia solare gratuita durante il giorno. Poi la consumano di notte, quando le tariffe sono alte.

Letecnologie intelligenti sono utili quando si impostano le applicazioni di peak shaving. È possibile configurare il sistema per passare automaticamente dall'alimentazione di rete a quella della batteria durante le ore di punta per risparmiare denaro.

Batterie agli ioni di litio per i servizi ausiliari

Come ogni sistema complesso, la rete elettrica sperimenta spesso inadeguatezze o vuoti di consegna. Si tratta di circostanze che provocano un'interruzione della fornitura di energia elettrica ai suoi clienti.

La generazione e la trasmissione regolare di elettricità giocano un ruolo chiave nel mantenere la stabilità e la sicurezza della rete. Eppure ci sono ancora diversi casi in cui sono inefficienti. I servizi ausiliari mantengono la stabilità e la sicurezza della rete quando le operazioni regolari di generazione e trasmissione sono inadeguate.

I servizi ausiliari sono stati convenzionalmente eseguiti utilizzando i generatori di potenza. Tuttavia, i progressi nella tecnologia di stoccaggio dell'energia hanno aumentato le opzioni degli operatori di rete. I servizi ausiliari sono ora alimentati da centrali elettriche con batterie agli ioni di litio, veicoli elettrici e impianti di energia rinnovabile. L'elenco che segue è alcuni dei più comuni servizi ausiliari forniti dalla rete elettrica.

• Riserve operative e di filatura
• Controllo della tensione
• Programmazione e dispacciamento dell'elettricità
• Compensazione delle perdite

Roundup

L'immagazzinamento dell'energia in rete è un mercato in continua crescita con un immenso potenziale. L'evoluzione perpetua dell'industria dell'alimentazione richiede un'innovazione costante e la reinvenzione della tecnologia. Le batterie agli ioni di litio forniscono una soluzione competitiva, affidabile e conveniente nello spazio di stoccaggio dell'energia.