In poche parole, lo stoccaggio dell’energia è il processo di immagazzinamento dell’energia inutilizzata e di riutilizzarla quando necessario. Nel campo dell’energia, la tecnologia di accumulo dell’energia svolge un ruolo cruciale in quanto consente la produzione stabile di fonti energetiche rinnovabili instabili come l’energia solare ed eolica, fornendo una fornitura continua di elettricità per la nostra vita quotidiana e il nostro lavoro. Tra questi, lo stoccaggio elettrochimico dell’energia agli ioni di litio è diventato una delle tecnologie di stoccaggio dell’energia in più rapido sviluppo grazie alla sua elevata densità di energia, lunga durata e rapida velocità di risposta.
1 Introduzione di base
Il sistema di accumulo dell'energia è costituito da una batteria, componenti elettrici, supporto meccanico, sistema di riscaldamento e raffreddamento (sistema di gestione termica), sistema di conversione dell'energia bidirezionale, sistema di gestione dell'energia e sistema di gestione della batteria. La batteria viene predisposta, collegata e assemblata in un modulo batteria, quindi fissata e assemblata insieme ad altri componenti all'interno dell'armadio per formare l'armadio batteria.
Definizione generalizzata: lo stoccaggio di energia si riferisce allo stoccaggio di energia. Si riferisce al processo ciclico di immagazzinamento di energia attraverso un mezzo o dispositivo e di rilascio in una forma specifica in base alle future esigenze applicative.
In senso stretto: per l'accumulo di energia elettrica. Una serie di tecnologie e misure che utilizzano metodi chimici o fisici per immagazzinare l'energia generata e rilasciarla sotto forma di energia elettrica quando necessario. (Tutte le introduzioni successive sono limitate alla definizione ristretta di accumulo di energia elettrica)
1. Terminologia e definizioni
Batteria: essendo uno dei percorsi tecnologici chiave per il nuovo accumulo di energia, le nuove batterie di accumulo dell’energia svolgono un ruolo importante nell’aumentare la percentuale di consumo di energia rinnovabile e nel garantire il funzionamento sicuro e stabile del sistema energetico. Le batterie al litio, in quanto dispositivi chiave di accumulo dell'energia, sono il "centro" che determina il progresso dell'accumulo di energia elettrochimica. Le batterie al litio sono suddivise in batterie al litio ferro fosfato e batterie al litio ternarie in base ai diversi materiali dell'elettrodo positivo. Il mercato dello stoccaggio dell’energia è dominato principalmente dalle batterie al litio ferro fosfato e l’eliminazione della differenza tra il picco e la valle tra il giorno e la notte è lo scenario di applicazione principale dei sistemi di stoccaggio dell’energia. Il tempo di utilizzo del prodotto influisce direttamente sulle entrate del progetto. Le unità di accumulo dell'energia, solitamente riferite alle batterie, sono i dispositivi di base utilizzati nei sistemi di accumulo dell'energia per immagazzinare e rilasciare energia elettrica.
Cella: una singola batteria, l'unità più piccola di una batteria.
Modulo/pacco batteria: un pacchetto standard per una serie di batterie singole.
Rack/Cluster di batterie: un'unità di accumulo di energia composta da una serie di moduli batteria.
Pannello di raccolta batterie (BCP): situato tra il rack batterie e l'inverter di accumulo dell'energia, simile a un quadro combinatore CC fotovoltaico.
Sistema di conversione di potenza (PCS): un inverter CC/CA bidirezionale.
Sistema di gestione della batteria (BMS): gestione e manutenzione intelligenti di varie unità batteria per prevenire il sovraccarico e lo scaricamento eccessivo, prolungare la durata della batteria e monitorare lo stato della batteria.
Materiale dell'elettrodo positivo: la parte della batteria che subisce reazioni di ossidazione. I materiali comuni degli elettrodi positivi includono ossido di litio cobalto (LiCoO2), fosfato di litio ferro (LiFePO4), ossido di litio nichel manganese cobalto (NMC), ecc.
Materiale dell'elettrodo negativo: la parte della batteria che subisce una reazione di riduzione. I materiali comuni per gli elettrodi negativi includono grafite, silicio, stagno, ecc. Elettrolita: il mezzo per il trasporto degli ioni nelle batterie, che può essere liquido o solido (elettrolita solido). Gli elettroliti consentono agli ioni di spostarsi tra gli elettrodi positivi e negativi, completando il processo di carica e scarica.
Membrana: situata tra gli elettrodi positivo e negativo, la sua funzione è quella di impedire che il contatto diretto tra gli elettrodi positivo e negativo provochi un cortocircuito, consentendo al contempo il passaggio degli ioni.
Collettore di corrente: tipicamente realizzato in metalli come rame e alluminio, utilizzato per trasmettere la corrente di una cella della batteria a un circuito esterno.
Involucro della batteria: struttura esterna di una batteria utilizzata per proteggere i componenti interni e fornire supporto meccanico.
Battery Management System (BMS): responsabile del monitoraggio e della gestione del processo di carica e scarica delle batterie, garantendone il funzionamento sicuro e ottimizzandone le prestazioni e la durata.
Energy Management System (EMS): è un sistema intelligente che integra software e hardware, utilizzato per monitorare, controllare e ottimizzare il flusso e il consumo di energia nei sistemi energetici. Si basa sulla raccolta dei dati, sull'analisi e sulla tecnologia di supporto alle decisioni, in grado di monitorare in tempo reale lo stato operativo, il consumo di energia e le condizioni ambientali delle apparecchiature energetiche, ottenendo così una gestione efficiente e l'ottimizzazione dell'energia.
Sistema di riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell'aria (HVAC): generalmente utilizzato nei contenitori delle batterie per garantire la ventilazione, la dissipazione del calore e l'isolamento delle batterie.
Capacità della batteria: la quantità di carica Q che può essere contenuta o rilasciata, ovvero capacità della batteria (Ah)=corrente (A) x tempo di scarica (h), generalmente misurata in Ah (amperora). Ad esempio, se la batteria di accumulo è etichettata come 96Ah, teoricamente può essere utilizzata per 1 ora con una corrente di lavoro di 96A.
Energia della batteria: l'energia immagazzinata in una batteria, misurata in Wh (wattora), dove Wh equivale alla tensione (V) moltiplicata per la capacità della batteria (Ah). Ad esempio, una batteria da 3,2 V/96 Ah ha un'energia di 307,2 Wh e se colleghiamo quattro batterie di questo tipo in serie, formeremo un pacco batterie con una tensione di 12,8 V e una capacità di 96 Ah. Sebbene la capacità della batteria non venga aumentata, l'energia totale aumenta di quattro volte.
Velocità di scarica della carica (C-Rate): la velocità di scarica si riferisce al valore di corrente richiesto per scaricare la capacità nominale entro un tempo specificato, che è numericamente uguale a un multiplo della capacità nominale della batteria. Vale a dire, la corrente di carica e scarica (A) divisa per la capacità nominale (Ah), con l'unità generalmente pari a C (abbreviazione di velocità C), come 0,5C, 1C, ecc.
Capacità di potenza garantita (GPC): la capacità minima rilasciata da un sistema di accumulo di energia entro un periodo di utilizzo specificato.
Efficienza di andata e ritorno (RTE): il rapporto tra la quantità totale di elettricità rilasciata dal terminale CA quando la batteria è completamente carica e la quantità di elettricità necessaria per caricare completamente il terminale CA, tenendo conto delle perdite dell'apparecchiatura e dell'autoconsumo durante la ricarica e scarico.
Durata del ciclo: la durata della batteria è divisa in due parametri: durata del ciclo e durata del calendario. La durata del ciclo si riferisce al numero di volte in cui una batteria può eseguire cicli di carica e scarica. In condizioni ideali di temperatura e umidità, caricare e scaricare alla corrente nominale e calcolare il numero di cicli subiti dalla batteria quando la sua capacità scende all'80%. La durata di vita del calendario si riferisce all'intervallo di tempo durante il quale una batteria raggiunge la fine della sua durata di vita (calo della capacità all'80%) in condizioni di utilizzo specifiche. In genere si può valutare il valore minore tra i due.