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Le fattorie a energia solare potrebbero offrire una seconda vita alle batterie dei veicoli elettrici

2021-06-16
Uno studio di modellizzazione mostra che i sistemi di riutilizzo delle batterie potrebbero essere redditizi sia per le aziende di veicoli elettrici che per le operazioni solari su scala di rete.

David L. Chandler | Ufficio notizie del MIT
22 maggio 2020



Uno studio del MIT mostra che le batterie dei veicoli elettrici potrebbero avere una seconda vita utile e redditizia come riserva di riserva per impianti solari fotovoltaici su scala di rete, dove potrebbero svolgere per più di un decennio questo ruolo meno impegnativo. Questa immagine mostra una vista "spaccata" di una batteria agli ioni di litio su uno sfondo di automobili e pannelli solari.

Man mano che la popolarità dei veicoli elettrici cresce rapidamente in tutto il mondo, presto ci sarà un'ondata di batterie usate le cui prestazioni non sono più sufficienti per i veicoli che necessitano di accelerazione e autonomia affidabili. Ma un nuovo studio mostra che queste batterie potrebbero ancora avere una seconda vita utile e redditizia come accumulo di riserva per impianti solari fotovoltaici su scala di rete, dove potrebbero svolgere per più di un decennio questo ruolo meno impegnativo.

Lo studio, pubblicato sulla rivista Applied Energy, è stato condotto da sei ricercatori attuali ed ex del MIT, tra cui il postdoc Ian Mathews e il professore di ingegneria meccanica Tonio Buonassisi, a capo del Photovoltaics Research Laboratory.

Come test case, i ricercatori hanno esaminato in dettaglio un'ipotetica fattoria solare su scala di rete in California. Hanno studiato l'economia di diversi scenari: la sola costruzione di un parco solare da 2,5 megawatt; costruire lo stesso array insieme a un nuovo sistema di accumulo di batterie agli ioni di litio; e costruendolo con un array di batterie fatto di batterie EV riproposte che erano scese all'80% della loro capacità originale, il punto in cui sarebbero state considerate troppo deboli per l'uso continuato del veicolo.

Hanno scoperto che la nuova installazione di batterie non fornirebbe un ragionevole ritorno sull'investimento netto, ma che un sistema gestito correttamente di batterie EV usate potrebbe essere un buon investimento redditizio, purché le batterie costino meno del 60 percento del loro prezzo originale.

Non così semplice

Il processo potrebbe sembrare semplice e occasionalmente è stato implementato in progetti su scala più piccola, ma espanderlo alla scala della griglia non è semplice, spiega Mathews. â€Ci sono molti problemi a livello tecnico. Come controlli le batterie quando le tiri fuori dall'auto per assicurarti che siano abbastanza buone da poter essere riutilizzate? Come imballare insieme batterie di auto diverse in modo da sapere che funzioneranno bene insieme e non avrai una batteria molto più povera delle altre e trascinerà le prestazioni del sistema giù?â€
Dal lato economico, dice, ci sono anche domande: â€Siamo sicuri che ci sia abbastanza valore in queste batterie per giustificare il costo di prenderle dalle auto, raccoglierle, controllarle e riconfezionarle? in una nuova applicazione?" Per il caso modellato nelle condizioni locali della California, la risposta sembra essere un solido sì, ha scoperto il team.

Lo studio ha utilizzato un modello semiempirico di degradazione della batteria, addestrato utilizzando dati misurati, per prevedere la diminuzione della capacità in queste batterie agli ioni di litio in diverse condizioni operative e ha scoperto che le batterie potrebbero raggiungere la massima durata e valore operando con cicli di carica e scarica relativamente delicati – mai andare oltre il 65 percento della carica completa o sotto il 15 percento. Questa scoperta mette in discussione alcune ipotesi precedenti secondo cui l'utilizzo iniziale delle batterie alla massima capacità avrebbe fornito il massimo valore.

"Ho parlato con persone che hanno detto che la cosa migliore da fare è semplicemente lavorare duramente sulla batteria e caricare in anticipo tutte le entrate", afferma Mathews. â€Quando l’abbiamo esaminato, non aveva alcun senso†. Dall’analisi era chiaro che massimizzare la durata delle batterie avrebbe fornito i migliori ritorni.

Quanto dureranno?

Un'incognita è per quanto tempo le batterie possono continuare a funzionare utilmente in questa seconda applicazione. Lo studio ha fatto un'ipotesi prudente, che le batterie sarebbero state ritirate dal loro servizio di backup della fattoria solare dopo essere scese al 70% della loro capacità nominale, dall'80% iniziale (il punto in cui sono state ritirate dall'uso dei veicoli elettrici). Ma potrebbe essere, dice Mathews, che continuare a operare fino al 60% della capacità o anche meno potrebbe rivelarsi sicuro e utile. Saranno necessari studi pilota a lungo termine per determinarlo, afferma. Molti produttori di veicoli elettrici stanno già iniziando a condurre tali studi pilota.

"Questa è un'intera area di ricerca in sé", dice, "perché la batteria tipica ha più percorsi di degradazione. Cercare di capire cosa succede quando si entra in questa fase di degrado più rapido, è un'area di ricerca attiva”. In parte, il degrado è determinato dal modo in cui le batterie sono controllate. "Quindi, potresti effettivamente adattare i tuoi algoritmi di controllo per tutta la durata del progetto, per spingerlo il più lontano possibile", dice. Questa è una direzione che il team perseguirà nella loro ricerca in corso, afferma. "Pensiamo che questa potrebbe essere un'ottima applicazione per i metodi di apprendimento automatico, cercando di capire il tipo di metodi intelligenti e analisi predittive che regolano tali politiche di controllo durante la vita del progetto".

L'effettiva economia di un tale progetto potrebbe variare ampiamente a seconda delle strutture normative e tariffarie locali, spiega. Ad esempio, alcune norme locali consentono di includere il costo dei sistemi di accumulo nel costo complessivo di una nuova fornitura di energia rinnovabile, ai fini della determinazione delle tariffe, e altre no. L'economia di tali sistemi sarà molto specifica per il sito, ma il caso di studio della California vuole essere un esempio illustrativo degli Stati Uniti.

"Molti stati stanno davvero iniziando a vedere i vantaggi offerti dallo storage", afferma Mathews. â€E questo dimostra solo che dovrebbero avere un'indennità che in qualche modo incorpori le batterie di seconda vita in quei regolamenti. Questo potrebbe essere favorevole per loro.â€

Un recente rapporto di McKinsey Corp. mostra che, poiché la domanda di storage di backup per progetti di energia rinnovabile cresce tra oggi e il 2030, le batterie per veicoli elettrici di secondo uso potrebbero potenzialmente soddisfare la metà di tale domanda, afferma Mathews. Alcune aziende di veicoli elettrici, dice, tra cui Rivian, fondata da un alunno del MIT, stanno già progettando i loro pacchi batteria appositamente per rendere il più semplice possibile questo riutilizzo a fine vita.

Mathews afferma che "il punto che ho sottolineato nel documento era che tecnicamente, economicamente †potrebbe funzionare". devi essere coinvolto in questo: devi avere il tuo produttore di veicoli elettrici, il tuo produttore di batterie agli ioni di litio, il tuo sviluppatore di progetti solari, i ragazzi dell'elettronica di potenza. Ehi, voi ragazzi dovreste davvero sedervi e guardare davvero a questo, perché pensiamo che potrebbe davvero funzionare.'â€
Il team di studio comprendeva i postdoc Bolum Xu e Wei He, la studentessa MBA Vanessa Barreto e il ricercatore Ian Marius Peters. Il lavoro è stato sostenuto dal programma di ricerca Horizon 2020 dell'Unione Europea, dal DoE-NSF ERF for Quantum Sustainable Solar Technologies (QESST) e dalla Singapore National Research Foundation attraverso la Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART).