Batteria solare: soluzioni per l'accumulo di energia

Perché dotarsi di una batteria solare?

Esistono diversi motivi per cui vorresti aggiungere una batteria solare al tuo sistema. Che si tratti di un sito isolato, ibrido o di uno scenario commerciale e industriale, disponiamo di una batteria adatta alle vostre esigenze, redditizia e duratura, da 2 a diverse centinaia di kWh.

Massimizzare l'uso dell'energia dai pannelli solari  : Le batterie consentono di immagazzinare l'energia solare da utilizzare la sera e la notte. Con l'installazione di una batteria solare, importerai meno energia da EDF e risparmierai sulle bollette elettriche. Possiamo quindi parlare qui di ottimizzare l'autoconsumo (ibrido), abbinato ai vostri pannelli solari.

Effettua l'arbitraggio HP/HC: Se non disponi di una batteria solare, le tariffe in base al tempo di utilizzo potrebbero aumentare in modo significativo le tue bollette elettriche. Ma una batteria con una “scorta” di energia (capacità) in KwH e un numero sufficiente di pannelli solari possono fornirti energia durante questi periodi di punta quando il prezzo dell’elettricità è più alto.

Alcuni sistemi di batterie (ad es. SIGENERGIA) sono in grado di effettuare questo tipo di arbitraggio intelligente, per ricaricarsi con l'elettricità della rete al di fuori delle ore di punta quando ha senso. Ad esempio, se sembra che non ci sarà abbastanza sole per ricaricare le batterie il giorno dopo tramite i pannelli, abbinando una previsione meteo.

Autosufficienza solare grazie alle batterie (backup): Tutte le nostre gamme di batterie offerte sono in grado di funzionare in modo isolato, cioè senza la presenza di EDF. Potrete quindi beneficiare di una funzione cosiddetta di “emergenza” (= backup) parziale o totale per proteggere le vostre spese a casa. Durante il giorno, se si verifica un'interruzione dell'EDF, puoi continuare a beneficiare dell'energia solare, tramite i tuoi pannelli.

Quali sono i diversi tipi di batterie solari?

L'evoluzione delle batterie solari: il declino delle batterie al GEL e al Piombo:

Le batterie solari hanno conosciuto un notevole sviluppo, segnato dal declino delle vecchie tecnologie come le batterie al GEL e al piombo (marchio Hoppecke, Victron, Enersys, ecc.). Un tempo popolari, le batterie GEL, con il loro elettrolita sotto forma di gel, e le batterie AGM (Absorbed Glass Mat), sebbene richiedano poca manutenzione e offrano una durata di vita relativamente lunga, sono ormai obsolete. Le loro prestazioni e durata, generalmente tra 800 e 900 cicli per GEL e fino a 10 anni per AGM, impallidiscono rispetto ai progressi delle batterie al litio. Allo stesso modo, le batterie al piombo aperte, nonostante il loro costo economico, richiedono una manutenzione significativa e sono limitate dalla loro progettazione non impermeabile. Oggi vengono ancora venduti come kit solari entry-level, dove le batterie AGM, grazie al loro prezzo molto basso, permettono di avere installazioni a basso costo, soprattutto per i camper.

La superiorità tecnica delle batterie solari agli ioni di litio:

Le batterie solari agli ioni di litio, grazie alla loro compattezza e alla lunga durata, si sono rapidamente affermate come la tecnologia preferita per lo stoccaggio dell’energia solare. Offrono una maggiore efficienza energetica e una durata di vita significativamente più lunga rispetto alle batterie GEL e al piombo, segnando un punto di svolta nello stoccaggio dell'energia solare. Le batterie al litio sono dotate di un sistema elettronico di gestione interna, un BMS, che ottimizzerà la scarica e la carica in base alle tensioni dei pannelli solari e dell'inverter-caricabatterie utilizzati. La capacità varia da 2 a 10 kWh per elemento, a seconda della marca della batteria. La potenza di scarica può arrivare fino a 5000 W per alcuni modelli. La qualità del BMS influenzerà anche la durata della batteria al litio, la sua capacità di scarica e quindi l'energia restituita.

Le cosiddette tecnologie “alternative” delle batterie: ferro-nichel, titanato di litio e ioni di sodio:

Allo stesso tempo, altre tecnologie emergenti, come le batterie al nichel-ferro, al litio titanato e agli ioni di sodio. Le batterie al nichel-ferro, note per la loro robustezza e longevità, si distinguono per la capacità di resistere a cicli di carica e scarica profondi senza un degrado significativo, garantendo al tempo stesso una scarica rapida se necessario. Sono ideali per sistemi solari off-grid. Possono erogare fino a 8000 cicli e il loro elettrolita può essere rinnovato. Possono essere scaricati allo 0% senza rischi. Il prezzo è di circa 600€ al kWh.

La tecnologia delle batterie solari al litio titanato, d'altra parte, offre una ricarica estremamente rapida e una durata di vita prolungata, anche in condizioni meteorologiche estreme. Sebbene costose, le batterie solari al litio titanato hanno la migliore garanzia sul mercato (20 anni per Zenaji), ovvero 10 volte quella di una batteria al piombo Hoppecke o Victron AGM! Il prezzo, invece, è circa 3 volte superiore a quello di una batteria al litio convenzionale.

Infine, le batterie agli ioni di sodio stanno emergendo come un’alternativa promettente, offrendo una soluzione più economica e sostenibile dal punto di vista ambientale. Sebbene siano ancora in fase di sviluppo, queste batterie sono prese in considerazione per applicazioni su larga scala, grazie al loro basso costo di produzione e all’abbondanza di sodio. La loro capacità energetica è leggermente inferiore a quella delle batterie solari al litio, a causa di una densità di energia di circa 130 Wh/Kg, rispetto ai 160 delle batterie LiFePO.

La transizione verso tecnologie di batterie più avanzate, tra cui quelle agli ioni di litio, al nichel-ferro, al litio titanato e agli ioni di sodio, riflette i continui progressi nello stoccaggio dell’energia solare. Questo sviluppo promette una maggiore efficienza, una migliore sostenibilità e una ridotta impronta ecologica, aprendo la strada a una nuova e più sostenibile era dell’energia solare.

Perché le batterie solari al litio sono superiori alle batterie al piombo (AGM, OPZ)?

La differenza più notevole tra la tecnologia al litio (ad esempio LIFEPO) e le batterie AGM/GEL come Hoppecke o Enersys risiede nella capacità di carica/scarica. Il grafico seguente illustra la capacità come percentuale della capacità nominale rispetto alla velocità di scarico (o velocità) (in potenza). Con velocità di scarica della batteria molto elevate, la capacità di una batteria al piombo-acido AGM/GEL è solo il 60% della sua capacità nominale:

Pertanto, nei sistemi solari in cui la batteria è molto carica o regolarmente con picchi di scarica, una batteria al litio con capacità inferiore avrà una capacità UTILIZZABILE maggiore rispetto a una batteria al piombo con capacità simile. In altre parole, con una capacità simile, la batteria al litio costerà sicuramente di più, ma potrete usufruire di una capacità inferiore poiché non è necessario sovradimensionarla per assorbire i picchi di scarica.

L'altro vantaggio delle batterie al litio LIFEPO, rispetto alle batterie al piombo AGM/GEL, risiede nella capacità del ciclo (durata della vita). La tecnologia LIFEPO ha una capacità di ciclo circa 10 volte maggiore rispetto alle migliori batterie OPZ. Ciò rende il costo del kWh immagazzinato molto inferiore rispetto al piombo, il che significa che la batteria al litio non dovrà essere sostituita durante la vita del sistema solare:

Come funziona una batteria solare?

Una batteria solare può essere immaginata come una sorta di “sandwich” elettrochimico utilizzato per immagazzinare energia. Da un lato hai l'anodo e dall'altro hai il catodo. Tra i due c'è un'interfaccia ionica conduttiva, chiamata elettrolita, e un separatore.

Gli elettroni caricati negativamente della batteria si concentrano sull'anodo. Poiché gli opposti si attraggono, vogliono dirigersi verso il catodo caricato elettricamente positivamente nella batteria. L'elettrolita agisce come un buffer, impedendo agli elettroni di prendere il percorso più breve dalla batteria (il che causerebbe un cortocircuito!).

Il collegamento dell'anodo e del catodo tramite un filo esterno consente il flusso degli elettroni nella batteria. Questo flusso di elettroni è ciò che chiamiamo elettricità.

Schema di principio (fonte: www.solarquotes.com)

Nelle batterie solari ricaricabili (tecnicamente chiamate batterie “secondarie”, in contrapposizione alle batterie monouso), viene utilizzata una fonte di energia esterna per invertire il flusso di corrente (tramite ad esempio i pannelli solari). L'energia viene così immagazzinata (si parla di kWh), per un utilizzo successivo, o per la ricarica tramite il pannello solare.

Esistono molti modi per disporre il catodo, l'anodo e i fogli separatori in una moderna batteria solare agli ioni di litio.

Di solito sono costruiti come un rullo all'interno di cilindri metallici chiamati celle. Un sistema di accumulo di energia domestico può avere migliaia di queste celle cilindriche. Possiamo anche trovare una costruzione di tipo rettangolare, detta prismatica. Infine, ci sono i design dei volantini “pouch-cell” trovati da Pylontech in particolare:

Potenza della batteria ED energia! da non confondere...

Nella nostra guida all’autonomia solare, abbiamo spiegato la distinzione da fare tra potenza e densità (o capacità) di energia. Ecco lo schema della vasca da bagno di facile comprensione:

Quando si tratta di batterie, un'analogia utile è l'acqua che scorre attraverso un tubo in un contenitore, tranne per il fatto che l'acqua sarebbe elettricità e la potenza sarebbe la portata:

• Potenza (kW), o “potenza” in inglese, è la velocità con cui l'acqua scorre attraverso il tubo, dentro o fuori dal contenitore.
• L'energia (kWh), o capacità, è la quantità di acqua che il contenitore può contenere.

La maggior parte delle batterie solari agli ioni di litio hanno una potenza continua massima tra 3 e 5 kW. Un Pylontech US5000 ad esempio, ha una potenza di 2.4 kW continui e fino a 5KW di picco. Se mai volessi ottenere 10 kW di potenza dal mio sistema di batterie, dovrò aggiungere una seconda batteria.

Ferro-nichel, NIFE, litio LFP, NMC, sodio? Cosa scegliere?

Qualche anno fa, quando parlavamo di stoccaggio della batteria, era una scommessa sicura che ti trovassi in una situazione di tipo sito isolato (off-grid). E per una buona ragione, soprattutto il prezzo delle batterie agli ioni di litio era da 4 a 6 volte più alto di quello attuale:

Circa dieci anni fa la tecnologia dominante era ancora quella al piombo (in particolare gli OPZ della marca Victron Hoppecke). Esistevano anche batterie AGM o GEL, sempre in tecnologia al piombo. La tecnologia al piombo presentava degli svantaggi (dimensioni ingombranti, durata di vita limitata, rilascio di gas, intolleranza ai cicli profondi, ecc.) e richiedeva una manutenzione regolare, che era complessa. Inoltre, nonostante il prezzo a prima vista piuttosto basso, è stato necessario tenere conto della scarsa capacità disponibile poiché la portata massima era limitata al 30%, per mantenere una durata di vita corretta!

Il prezzo delle batterie al litio è quindi diminuito drasticamente, raggiungendo i 139 dollari al kWh (Articolo di Bloomberg.) 

Le due principali tecnologie del litio sono nichel-manganese-cobalto (NMC) e litio-ferro-fosfato (LifePO). Il TESVOLT HV ad esempio utilizza celle NMC Samsung SDI, mentre le batterie per uso residenziale come Pylontech o BYD utilizzano esclusivamente LifePO.

Si noterà che ogni batteria ha le sue specificità, ma che il LifePo prevale in termini di numero di cicli, stabilità termica e durata.

Batteria LiFePO: rapporto qualità prezzo imbattibile:

Le batterie solari basate sulla chimica LFP sono prive di cobalto e metalli strategici, e sono quindi più virtuose dal punto di vista ecologico e C2G (“cradle to gate = ciclo di vita della batteria dalla sua estrazione al suo riciclo).

Batteria al Nichel-Ferro: priorità alla durata:

Esistono altre tecnologie, come Batteria al nichel-ferro che commercializziamo dal 2018, che unisce robustezza e ineguagliabile robustezza per applicazioni di “nicchia” (soprattutto siti isolati). Si tratta di batterie molto particolari, sicuramente ingombranti e bisognose di manutenzione, ma che hanno una durata di vita pressoché illimitata. Inoltre non richiedono un BMS, il che è un vantaggio per coloro che apprezzano i progetti “low tech”.

Esiste anche batterie al litio titanato (LTO), che offriamo tramite il marchio australiano Zenaji ormai da 3 anni. Una tecnologia performante, dalla ciclabilità incredibile (20000 cicli) ma ad un prezzo proibitivo.

Batterie agli ioni di sodio finalmente, cominciano ad arrivare sul mercato. Lo offriremo nel 2024, in particolare attraverso la nostra partnership con BIWATT e la loro soluzione completamente integrata. Questi ultimi presentano vantaggi unici in termini di tolleranza alle temperature estreme e assenza dell'uso di metalli ad alta criticità (= in quantità limitata). Tuttavia, il loro prezzo è attualmente simile o addirittura leggermente superiore a quello delle batterie solari LIFEPO, e dobbiamo avere una prospettiva di utilizzo per essere certi che la loro durata sia interessante rispetto alle batterie tecnicamente mature.

Controlla attentamente le condizioni di garanzia della batteria!

Leggere i contratti di garanzia della batteria può essere noioso. Ecco i punti essenziali da comprendere su qualsiasi sistema di accumulo di energia che stai pensando di acquistare.

Degrado della batteria (“EOL”), un criterio primario per valutare il numero di cicli disponibili! 

Qual è la capacità della batteria solare al termine della garanzia? Il 70% dopo 10 anni è un valore tipico. Questo è il famoso “EOL”. I produttori forniscono delle tabelle che determinano il numero di cicli realizzabili dalla batteria prima che la sua capacità residua superi la famosa soglia “EOL” (= fine vita). Ad esempio, con la batteria solare TESVOLT, vediamo che le batterie sono garantite 6500 cicli con scarica al 100%, per 10 anni. In altre parole, puoi ciclarli 6500 volte al 100% per 10 anni e non dovresti scendere sotto il 70% di capacità residua alla fine di questi cicli!

Un altro modo di interpretarlo sarebbe dire che nell’uso standard, una batteria residenziale viene sottoposta a circa 280 cicli all'anno in equivalente “ciclo completo” (= 100% DOD). Ciò si spiega con la stagionalità (infatti in estate la batteria verrà utilizzata meno che in inverno!) quindi un TESVOLT garantito 6500 cicli vi permetterà effettivamente di estrarne 6500/280 = Circa 23 anni di attività prima del grave degrado.

La salute della tua batteria solare, la SOH!

L'altro concetto importante da ricordare è quello di SOH, ovvero “stato di salute” della batteria, ne indica la capacità residua. Un SOH del 98% indica che il suo EOL lo è

È anche importante tenere presente che la qualità di fabbricazione di una cella al litio influirà sulla sua vita utile, ovvero sulla sua durata escludendo l'usura (indipendentemente dal fatto che venga utilizzata o meno). Su TESVOLT, ad esempio, il degrado estrapolato è molto basso, circa il 70% dopo 16 anni di uso intensivo al 100% DOD. Ciò è confermato dalla nostra esperienza sul campo poiché una delle nostre installazioni in un sito isolato per 4 anni con un TESVOLT dimostra ancora un SOH (“stato di salute”) intatto!

A fianco, la sostituzione del SOH su uno dei ns sistemi autonomi (Studer) con batterie, in servizio per 4 anni. Questa è una batteria TESVOLT TS48V con celle Samsung SDI. La capacità è sempre 100%, il che indica una durata di vita molto lunga a venire.

Piuttosto incoraggiante dopo 4 anni di servizio in un sito isolato!

Di fronte, il SOH di una batteria Pylontech, anch'essa in servizio da 4 anni. Vediamo che l'SOH è molto più basso e che le batterie hanno perso l'8% della capacità. Il degrado è quindi molto maggiore.

In conclusione, è fondamentale comprendere a fondo le problematiche legate alla scelta tecnica che si fa per la propria batteria solare. Ciò avrà un impatto sulla sicurezza, ma anche sulla redditività e sul buon funzionamento del vostro progetto a lungo termine. Non tutte le batterie sono uguali!