Riutilizzo batterie – Second life batteries for smart grid

Il dibattito riguardante la mobilità sostenibile e la riduzione del consumo di carburanti fossili, rappresenta un importante incentivo all’impiego di veicoli elettrici e alla loro sempre maggiore diffusione, un fenomeno facilitato anche da politiche istituzionali basate sugli incentivi e volte a favorire il rinnovamento del parco auto circolante. Ma la sostenibilità in un’ottica green non è data unicamente da una minore produzione di emissioni inquinanti, infatti perché essa venga garantita è necessario che si verifichino due ulteriori condizioni:

1. l'energia utilizzata per i processi di ricarica deve essere generata attraverso fonti rinnovabili;
2. deve essere disponibile un sistema che permetta di gestire le batterie usate e di recuperare gli elementi chimici, come per esempio il litio, che vengono impiegati per la loro produzione.

La tendenza all’elettrificazione che coinvolge il mercato dei trasporti ha portato a uno standard che attualmente vede le batterie dei veicoli elettrici coperte da una garanzia di durata variabile tra gli 8 e i 10 anni. Oltre questo periodo, o una percorrenza di lunghezza compresa tra i 150 mila e i 160 mila Km, la capacità degli accumulatori tende a diminuire e ad assestarsi intorno al 70-80% di quella originale.

Si viene così a produrre una grande quantità di batterie usate il cui ciclo di vita non è ancora del tutto esaurito in quanto mantengono una capacità di storage energetico ancora elevata anche se non sufficiente per la conformità con gli standard previsti per i veicoli elettrici. Affrontare questo tipo di problematica con il solo ricorso allo smaltimento rende nuovamente attuali le questioni inerenti alla sostenibilità ambientale, nel contempo ancora oggi le procedure di riciclo delle batterie vengono effettuate in larga parte termochimicamente, tramite pirolisi, producendo quantità rilevanti di emissioni tossiche.

Si aggiunga infine che il costo del riciclo di una tonnellata di batterie al litio si aggira mediamente tra i 4 mila e i 6 mila euro (dati Cnr Iccom), si tratta in sostanza di un processo estremamente dispendioso tenendo conto del valore associato alle materie prime recuperabili che non supera il migliaio di euro. Quindi quale potrebbe essere la soluzione più sostenibile dal punto di vista ambientale ed economico per la gestione delle batterie usate? Una risposta a questa domanda può essere ricercata nel Second life batteries management che rappresenta una modalità efficace per l’ingresso degli accumulatori nell’economia circolare.

Second life batteries e stationary energy storage

Come anticipato, gli standard per i veicoli elettrici prevedono che le batterie in dotazione ai mezzi debbano garantire un livello minimo in termini di capacità di storage. Vi sono poi altre specifiche di cui tenere conto, come per esempio quelle riferite alla perdita della carica in fase di inutilizzo che non dovrebbe mai essere superiore ad un tasso (self-discharge rate) del 5%.

Gli accumulatori che non rispettano tali requisiti possono essere comunque riutilizzati per applicazioni associate a specifiche meno vincolanti dal punto di vista delle performance, come per esempio i sistemi di stationary energy storage. Questi ultimi sono in grado di conservare energia e di distribuirla sotto forma di elettricità grazie ad una struttura che prevede un sistema di controllo elettronico dell’erogazione, un inverter, un sistema per la gestione termica e una serie di batterie che forniscono energia. Quando i sistemi di stationary energy storage vengono inseriti in un’infrastruttura per la ricarica on demand, come per esempio quelle destinate ad alimentare i veicoli elettrici, contribuiscono al funzionamento di una smart grid.

In linea generale è possibile identificare tre principali benefici derivanti dall’impiego di batterie che, dopo un primo utilizzo per i veicoli elettrici, vengono riutilizzate all’interno di smart grid:

1. rinviare e contenere gli investimenti relativi alla produzione e alla distribuzione di nuove batterie;
2. allocare potenziale energetico utilizzabile in periodi di scarsità o di costi elevati delle materie prime;
3. fornire delle riserve energetiche ausiliarie che garantiscano la continuità di servizio a basso costo di processi industriali tradizionalmente alimentati da altre fonti di energia.

Tra gli ambiti di applicazione più interessanti delle second life batteries vi sono i sistemi di ricarica veloce tramite colonnine fast e ultra fast, soluzioni grazie alle quali è possibile ridurre notevolmente i tempi necessari per il rifornimento. Ci si riferisce nello specifico a una delle principali problematiche connesse all'utilizzo di veicoli elettrici, i mezzi equipaggiati con motore a combustione richiedono infatti pochi minuti per essere riforniti, mentre per il completamento di una ricarica possono essere necessarie alcune ore.

L'impiego delle second life batteries per l'accumulo locale in prossimità delle stazioni di ricarica rappresenta una possibile soluzione alla problematica descritta, garantendo correnti di picco elevate e, di conseguenza, accelerando i tempi di rifornimento senza che ciò richieda di sovradimensionare la rete di distribuzione.

Sfide dell'industria e previsioni di mercato

Un approccio che favorisca il riutilizzo delle batterie pone però il mercato e i regolatori di fronte ad alcune sfide, a cominciare da quelle riguardanti le normative di riferimento per il settore. Attualmente infatti diversi Paesi si sono dotati di regole per lo smaltimento, il riciclo o la destinazione di batterie usate, ma non di rado mancherebbero delle normative specifiche per il reinserimento delle batterie dei veicoli elettrici nel ciclo produttivo. 

Vi sono poi da tenere in considerazione le questioni relative al remanufacturing, dato che anche a questo proposito è necessario definire degli standard che limitino la frammentazione. L'industria deve quindi definire delle specifiche condivise riguardanti i requisiti minimi in termini di qualità, performance, tipologie di componenti e interoperabilità con i sistemi di battery management che permettano alle batterie di poter essere impiegate in applicazioni per smart grid.

La problematica citata in precedenza deve essere affrontata anche a monte della catena di valore, ancora oggi infatti i processi di manufacturing adottati dai vari produttori del settore non prevedono degli standard universalmente validi per il battery modelling e il battery design. Ciò dipende anche dalla domanda di accumulatori proveniente dall’automotive, ancora fortemente differenziata, che contribuisce a un rallentamento della standardizzazione.

Esiste infine un ultimo aspetto di grande rilevanza dal punto di vista del mercato riguardante il costo del remanufacturing e di conseguenza del riutilizzo. Nella loro relazione intitolata “Second-life EV batteries: The newest value pool in energy storage” i ricercatori Hauke Engel, Patrick Hertzke e Giulia Siccardo sottolineano come la produzione di nuove batterie stia divenendo sempre meno costosa, fattore che nel tempo potrebbe rendere il Second life batteries management meno cost-effective. Attualmente una batteria riutilizzata richiede una spesa tra il 30 e il 70% inferiore rispetto alla produzione di un nuovo componente, entro il 2040 tale differenza potrebbe essere inferiore al 25%.

Recenti analisi stimano che il giro d’affari del mercato del Second life batteries management potrebbe superare i 30 miliardi di dollari entro il prossimo decennio, per una produzione energetica pari a 200 gigawatt-ora. Sulla base di tali attese la maggiore sfida dell'industria sarà quella di conciliare sostenibilità ambientale, innovazione dei processi produttivi e ottimizzazione degli investimenti.