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Un sistema di accumulo dell'energia della batteria funziona convertendo l'energia elettrica in energia chimica immagazzinata all'interno celle di batterie per l'accumulo di energia , riconvertendola poi in elettricità utilizzabile su richiesta attraverso un sistema di gestione della batteria, un sistema di conversione di potenza e un inverter. Durante la ricarica, l'energia CA in ingresso dalla rete o da un pannello solare viene convertita in CC e immessa nelle celle, dove una reazione chimica immagazzina quell'energia. Durante la scarica, la reazione si inverte, le celle rilasciano l'energia immagazzinata come potenza CC e l'inverter la converte nuovamente in CA per l'utilizzo da parte di elettrodomestici, apparecchiature o rete.
Il resto di questa guida scompone il sistema nei suoi componenti principali e spiega come celle di batterie per l'accumulo di energia sono raggruppati in moduli e pacchi e copre i fattori pratici che determinano il rendimento di un sistema di accumulo dell'energia della batteria durante la sua durata di servizio.
I componenti principali che compongono un sistema di accumulo dell'energia della batteria
Un sistema di accumulo dell'energia della batteria non è un singolo dispositivo ma uno stack coordinato di hardware e software di controllo. Ogni livello ha un lavoro distinto e il sistema funziona bene solo con il suo anello più debole.
Celle della batteria per l'accumulo di energia
La cellula è l’elemento fondamentale in cui avviene l’effettivo stoccaggio dell’energia chimica. Il fosfato di litio-ferro, comunemente abbreviato LFP, è diventato la scelta chimica dominante per lo stoccaggio stazionario grazie alla sua stabilità e al lungo ciclo di vita rispetto ai vecchi prodotti chimici a base di nichel.
Moduli e pacchi batteria
Le singole celle sono collegate in serie e in parallelo per formare moduli, i quali vengono poi combinati in pacchi per raggiungere la tensione e la capacità richieste da un progetto. Questa struttura a strati consente ai produttori di adattare lo stesso design della cella base da una piccola unità residenziale fino a un sistema industriale delle dimensioni di un container.
Sistema di gestione della batteria
Il sistema di gestione della batteria, solitamente abbreviato in BMS, tiene traccia continuamente della tensione, della corrente e della temperatura in ogni cella del pacco. Protegge il sistema interrompendo la carica o la scarica se una cella si sposta al di fuori dei limiti di sicurezza e bilancia i livelli di carica tra le celle in modo che nessuna singola cella sia sovraccarica mentre altre rimangono sottoutilizzate.
Sistema di conversione di potenza e inverter
Il sistema di conversione della potenza gestisce il flusso di energia tra il pacco batteria e il circuito elettrico esterno, mentre l'inverter gestisce la conversione tra la potenza CC immagazzinata nelle celle e la potenza CA utilizzata da case, fabbriche o dalla rete.
Gestione termica
Le celle della batteria generano calore sia durante la carica che durante lo scaricamento e tale calore deve essere rimosso in modo uniforme per prevenire l'invecchiamento precoce. I modelli raffreddati ad aria fanno circolare l'aria ambiente o condizionata attraverso il pacco, mentre i modelli raffreddati a liquido fanno circolare il refrigerante attraverso piastre o tubi sigillati a diretto contatto con le celle, che generalmente mantengono una distribuzione della temperatura più ridotta nel pacco rispetto al solo raffreddamento ad aria.
Seguire il percorso energetico attraverso un ciclo completo di carica e scarica
Comprendere un sistema di accumulo dell’energia a batteria è più semplice tracciando ciò che accade all’elettricità mentre si muove attraverso il sistema in ciascuna direzione.
- L'energia CA in entrata dalla rete, da un generatore o da un inverter solare raggiunge il sistema di conversione dell'energia.
- Il sistema di conversione dell'alimentazione rettifica l'alimentazione CA in alimentazione CC adatta alla ricarica del pacco batteria.
- Il sistema di gestione della batteria indirizza la corrente di carica ai moduli monitorando ciascuna cella per mantenere la tensione e la temperatura entro limiti operativi sicuri.
- L'energia immagazzinata rimane nelle celle fino a quando non viene attivato un comando di scarica, da un programma pianificato, da un segnale di rete o dal rilevamento di un'interruzione di corrente.
- Durante la scarica, le celle rilasciano potenza CC, che ritorna attraverso il sistema di conversione di potenza e l'inverter per essere convertita in potenza CA utilizzabile per il carico collegato.
Perché la chimica cellulare determina le prestazioni nel mondo reale
Non tutti celle di batterie per l'accumulo di energia si comportano allo stesso modo una volta installati e le differenze chimiche si manifestano direttamente nella durata del ciclo, nel margine di sicurezza e nella capacità utilizzabile.
| Chimica | Durata del ciclo fino all'80% della capacità | Profondità tipica di scarica |
|---|---|---|
| LiFePO4 (LFP) | Da 4.000 a 6.000 cicli | Dall'80 al 90%. |
| NMC agli ioni di litio | Da 1.500 a 2.500 cicli | dal 70 all'85%. |
| Piombo acido | Da 300 a 700 cicli | 50 per cento |
Le celle LFP generalmente offrono circa il doppio o il triplo della durata del ciclo delle celle NMC prima di raggiungere l’80% della loro capacità originale, che è una delle ragioni principali per cui l’LFP è diventata la scelta predefinita per lo stoccaggio stazionario dell’energia piuttosto che per applicazioni ad alta densità di energia come i veicoli elettrici dove NMC detiene ancora un vantaggio.
Raffreddamento ad aria e raffreddamento a liquido all'interno di un pacco batteria
La progettazione della gestione termica ha un effetto diretto sulla coerenza delle prestazioni di un sistema di accumulo dell'energia della batteria durante la sua durata nominale, poiché il calore irregolare attraverso un pacco fa sì che alcune celle si degradino più velocemente di altre.
Come il raffreddamento a liquido migliora la consistenza
Un sistema raffreddato a liquido fa circolare il refrigerante attraverso piastre o tubi sigillati che rimangono in contatto termico diretto con ciascuna cella o modulo, allontanando il calore in modo uniforme anziché fare affidamento sul flusso d'aria che può lasciare sacche di celle più calde di altre. Il raffreddamento a liquido può mantenere la temperatura diffusa all'interno di un pacco batteria entro circa 3 gradi Celsius, rispetto a una diffusione compresa tra 8 e 15 gradi Celsius comunemente osservata nei progetti raffreddati ad aria.
Perché la differenza conta negli anni di attività
Una differenza di temperatura più ridotta significa che le celle all'interno di un pacchetto invecchiano più vicino alla stessa velocità, il che riduce le probabilità di guasto precoce delle singole celle e aiuta il pacchetto complessivo a mantenere la capacità utilizzabile più a lungo. Questa coerenza diventa particolarmente importante man mano che la scala dei progetti cresce verso installazioni da megawattora e gigawattora, dove il valore della durata di servizio estesa si somma a un investimento di capitale molto più ampio.
Come la scala del sistema cambia le priorità di progettazione
La stessa tecnologia delle celle principali supporta categorie di prodotti molto diverse una volta ampliata o ridotta e le priorità cambiano a seconda di dove si trova il sistema in tale intervallo.
| Scala del sistema | Intervallo di capacità tipico | Priorità di progettazione primaria |
|---|---|---|
| Residenziale | Da 5 a 20 kWh | Ingombro compatto, funzionamento silenzioso, installazione semplice |
| Armadio commerciale e industriale | Da 200 a 400 kWh | Peak shaving, resistenza all'esterno, custodia con grado di protezione IP |
| Scala megawatt industriale e di utilità | Da megawattora a gigawattora | Ciclo di vita lungo, raffreddamento a liquido, affidabilità su scala di rete |
Ningbo Nxten Energy Technology Co., Ltd progetta tutta questa gamma, producendo celle, moduli, pacchi batteria e sistemi completi per batterie di accumulo di energia nell'ambito di una struttura di produzione integrata verticalmente, che consente una qualità costante delle celle da piccoli pacchi residenziali fino a implementazioni industriali e su scala di utilità.
Standard di sicurezza applicabili alle celle delle batterie per l'accumulo di energia
Poiché un sistema di accumulo dell’energia a batteria immagazzina una grande quantità di energia in uno spazio compatto, la convalida della sicurezza è una parte fondamentale della progettazione responsabile del sistema piuttosto che un componente aggiuntivo opzionale.
- La norma IEC 62619 stabilisce i requisiti di sicurezza internazionali per celle e batterie al litio secondarie utilizzate in applicazioni fisse.
- UL 1973 è lo standard principale degli Stati Uniti per i sistemi di accumulo dell'energia delle batterie fisse e mobili, che copre test di abuso come cortocircuito, sovraccarico e shock termico.
- La certificazione UN 38.3 è richiesta per il trasporto aereo di batterie al litio ed è importante per qualsiasi sistema che debba essere spedito a livello internazionale.
- Un grado di protezione IP54 o superiore indica protezione contro polvere e spruzzi d'acqua, che è importante per qualsiasi pacchetto installato all'aperto.
Domande frequenti sul funzionamento dei sistemi di accumulo dell'energia a batteria
Qual è la differenza tra una cella di batteria, un modulo e un pacco
Una cella è la più piccola unità di accumulo di energia individuale, un modulo è un gruppo di celle collegate insieme in serie e in parallelo e un pacco è un insieme completo di moduli insieme al sistema di gestione della batteria, al cablaggio e all'involucro necessari per funzionare come unità di accumulo autonoma.
Perché la maggior parte dei moderni sistemi di accumulo di energia a batteria utilizzano celle LFP
Le celle LFP combinano una forte stabilità termica con una lunga durata di ciclo, raggiungendo in genere da 4.000 a 6.000 cicli prima di scendere all'80% della capacità originale, il che le rende adatte ai sistemi stazionari che danno priorità alla longevità e alla sicurezza rispetto alla maggiore densità di energia offerta da altri prodotti chimici.
Un sistema di accumulo dell’energia a batteria funziona senza luce solare o generatore
Sì, una volta caricato, un sistema di accumulo dell’energia a batteria può scaricare l’energia immagazzinata indipendentemente da qualsiasi fonte di generazione attiva, che è esattamente ciò che gli consente di alimentare una casa o una struttura durante un’interruzione della rete o un periodo senza produzione solare.
In che modo il sistema di gestione della batteria previene i danni alle celle
Il sistema di gestione della batteria monitora continuamente la tensione, la corrente e la temperatura a livello di cella e interrompe la carica o la scarica automaticamente se una qualsiasi lettura si sposta al di fuori dell'intervallo di sicurezza, bilanciando anche la carica tra le celle in modo che nessuna singola cella venga spinta più del resto del pacco.
Il raffreddamento a liquido è necessario per ogni sistema di accumulo dell'energia della batteria
Non per tutti i sistemi, poiché i gruppi residenziali più piccoli spesso funzionano adeguatamente con il raffreddamento ad aria, ma il raffreddamento a liquido diventa sempre più prezioso man mano che le dimensioni del sistema crescono verso la scala commerciale e industriale, dove un controllo più rigoroso della temperatura estende significativamente la durata di servizio con un investimento di capitale molto più grande.
