Accumulo di energia nel 2021: Sfide e opportunità

Accumulo di energia nel 2021: Sfide e opportunità

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Le tecnologie di immagazzinamento dell'energia stanno subendo una trasformazione impegnativa, vitale in un clima emergente che richiede sempre più energie rinnovabili e hardware riciclabile. I settori dell'immagazzinamento dell'energia, come le batterie Li-ion, sono previsti in rapida crescita, mentre i vincoli della catena di approvvigionamento significano che nuove tecnologie alternative di immagazzinamento dell'energia sono in fase di sviluppo, creando nuove opportunità. Coprendo un ampio portafoglio di tecnologie di immagazzinamento dell'energia, la loro storia e le loro prospettive per il futuro, IDTechEx esamina come il settore dell'immagazzinamento dell'energia si è comportato nell'ultimo anno e dove è diretto per il prossimo.

Li-ion e domanda di materiali

Si prevede che la domanda di batterie Li-ion subirà una rapida crescita nei prossimi 10 anni, guidata principalmente dall'elettrificazione dei trasporti. Questo comporterà una crescita della domanda per le auto elettriche a batteria, ma anche per un ampio spettro di tipi e segmenti di veicoli, e sono questi segmenti non automobilistici che molti produttori di pacchi punteranno. Il rapporto di IDTechEx "Batterie agli ioni di litioper veicoli elettrici 2021-2031" copre le tendenze della tecnologia delle batterie per i veicoli elettrici e studia i produttori di pacchi che puntano agli autobus, ai veicoli commerciali e a molti altri segmenti non automobilistici. Tuttavia, mentre il Li-ion continuerà a rimanere la tecnologia dominante nei veicoli elettrici, i timori di potenziali colli di bottiglia nella fornitura di alcuni materiali critici, come il litio, il nichel o la grafite, possono alla fine limitare il tasso di adozione degli EV. Il rapporto di IDTechEx "Materials for Electric Vehicle Battery Cells and Packs 2021-2031" prevede la crescita della domanda di materiali per batterie Li-ion inclusi nella cella e nel pacco, mentre IDTechEx copre anche il più ampio mercato Li-ion, compresa l'analisi dettagliata della tecnologia e dei giocatori. Oltre ai problemi che possono essere causati dalla rapida crescita della domanda di materiali, esistono anche preoccupazioni sull'impatto ambientale e la sostenibilità della produzione di Li-ion.

Riciclaggio degli ioni di litio

Il riciclaggio offre una soluzione parziale ai problemi di sostenibilità e di catena di approvvigionamento affrontati dall'industria degli ioni di litio, fornendo un certo grado di circolarità - i materiali dai rifiuti e dalle batterie a fine vita possono essere estratti e raffinati per essere riutilizzati nella produzione di celle e batterie. Questo può avere diversi impatti positivi. Può diversificare le forniture di materiali, aiutando a ridurre la dipendenza da un singolo paese o regione. Dal punto di vista ambientale, il riciclaggio degli ioni di litio, specialmente attraverso percorsi idrometallurgici o di riciclaggio diretto, dovrebbe ridurre i requisiti energetici totali della produzione di una cella, rispetto all'utilizzo di materiali vergini. Anche altre emissioni, tra cui SOx, NOx e particolato, oltre al CO2, dovrebbero essere inferiori utilizzando materiale riciclato rispetto all'estrazione primaria. Le capacità locali di riciclaggio e raffinazione, come stanno cominciando ad essere costruite in Europa e negli Stati Uniti, possono anche ridurre la distanza percorsa dai materiali riducendo ulteriormente il profilo delle emissioni delle batterie Li-ion. Tuttavia, anche se si costruisse una capacità di riciclaggio sufficiente per gestire l'intero volume di rifiuti delle batterie Li-ion entro il 2030, il materiale riciclato potrebbe contribuire solo a una frazione della domanda di materiale.
 
Senza il riciclaggio, i preziosi metalli critici andranno in discarica creando sia rifiuti che pericoli per la sicurezza. Fonte: IDTechEx
 
Per contribuire ad alleviare i possibili vincoli della catena di approvvigionamento, sono in fase di sviluppo una serie di batterie alternative e tecnologie di stoccaggio dell'energia che potrebbero essere in grado di sostituire le batterie Li-ion in applicazioni in cui la densità energetica non è un parametro così critico. Le applicazioni per queste tecnologie potrebbero includere piccole auto elettriche da città, e-bus, veicoli elettrici ibridi, camion a celle a combustibile, o veicoli guidati autonomi, tutti coperti dal portafoglio di ricerca EV di IDTechEx. Ma la gamma di tecnologie di immagazzinamento dell'energia disponibili e in via di sviluppo è più evidente nel settore dell'immagazzinamento dell'energia stazionaria. Questo è vero perché la densità di energia diventa un fattore meno critico nell'immagazzinamento stazionario dell'energia, permettendo l'utilizzo di una gamma di tecnologie.
 
Per saperne di più sui mercati dello stoccaggio stazionario e dei veicoli elettrici, si prega di consultare i rapporti "Batterie per lo stoccaggio stazionario di energia 2021-2031" e "Veicoli elettrici: Terra, mare e aria 2021-2041". Un'analisi più dettagliata dei singoli segmenti EV può essere trovata nei rapporti specifici su autobus elettrici, automobili, veicoli a 2 ruote, veicoli commerciali e barche, tra gli altri.

Batterie a stato solido

Con Solid Power e QuantumScape che diventano pubbliche, le batterie a stato solido stanno attirando un'enorme attenzione, soprattutto per le applicazioni dei veicoli elettrici. I veicoli elettrici sono la motivazione principale per lo sviluppo di batterie a stato solido, e molti OEM automobilistici hanno annunci per il prossimo anno. Ci sono stati miglioramenti in ogni sezione della tecnologia delle batterie a stato solido: polimero, ossido e solfuro. Di questi miglioramenti, uno notevole è che un anodo di litio metallico è essenziale per ottenere una maggiore densità di energia, aumentando le prestazioni delle batterie a stato solido per renderle più competitive. Passare dallo sviluppo di materiali/celle alla produzione pilota e di massa è anche una tendenza importante. È abbastanza comune trovare gli attori delle batterie a stato solido che collaborano con gli OEM del settore automobilistico per un ulteriore sviluppo. I dettagli sulle tecnologie, gli attori e i mercati possono essere trovati nella ricerca sulle batterie a stato solido e polimeriche.
 
Panoramica della posizione delle principali aziende di batterie a stato solido. Fonte: IDTechEx

Batterie sottili, flessibili e stampate

Di batterie sottili, flessibili e stampate si parla da un po', e molte di esse hanno trovato applicazioni di nicchia. Molte delle batterie hanno una tecnologia matura, ma trovare applicazioni adeguate con una grande domanda è la chiave per far crescere questa tecnologia. Ci sono un bel po' di aziende sul mercato che lavorano in questo settore, il che significa che la concorrenza è in continua crescita. L'azienda che identifica le applicazioni più rilevanti - quelle che richiedono le caratteristiche speciali delle batterie flessibili e stampate sottili - sarà quella che avrà successo e metterà all'angolo questo mercato. Per maggiori dettagli si prega di consultare il rapporto di IDTechEx sulle batterie a film sottile, flessibili e stampate.

Na-ion

Il Na-ion ha visto un rinnovato interesse dopo l'annuncio di CATL del loro sviluppo del Na-ion. Simili in molti modi alle batterie Li-ion, le batterie Na-ion utilizzano Na come elemento di lavoro invece di Li, come il nome suggerirebbe. Le batterie Na-ion sono generalmente caratterizzate dall'avere potenze e vite di ciclo leggermente più alte delle celle Li-ion NMC e LFP, ma con densità di energia gravimetrica leggermente inferiore. Mentre i Na-ioni ridurranno ovviamente la dipendenza dal litio, i loro catodi possono ancora fare uso di cobalto e nichel, e quindi se possono essere utilizzati per ridurre la dipendenza da questi materiali dipende interamente dalle specifiche chimiche dei catodi che saranno utilizzate.
 
Per saperne di più sulle capacità tecnologiche delle diverse forme di batteria, si veda Batterie avanzate agli ioni di litio.

Batterie a flusso redox

Le batterie a flusso redox differiscono dalle batterie a intercalazione come Li-ion e Na-ion, immagazzinando l'energia nell'elettrolita, separata dalla cella elettrochimica, permettendo così il disaccoppiamento della potenza energetica. Questo aspetto chiave rende le RFB molto adatte alle applicazioni di stoccaggio stazionario, specialmente quelle di lunga durata. Il vanadio è di gran lunga la chimica più diffusa, con 15-20 aziende che commercializzano sistemi al vanadio. Tuttavia, l'alto costo del vanadio porta ad alti costi di capitale che possono essere proibitivi per un uso diffuso, anche se si stanno esplorando schemi come il leasing dell'elettrolita per cercare di ridurre la spesa iniziale di capitale. Tuttavia, l'alto costo del vanadio ha portato allo sviluppo di prodotti chimici RFB alternativi che utilizzano materiali attivi a basso costo, come la chimica basata interamente sul ferro sviluppata da ESS Inc o anche le batterie di flusso che possono utilizzare composti organici a basso costo e ampiamente disponibili come materiale attivo dell'elettrolita.
 
Le batterie a flusso possono scalare indipendentemente l'energia e la potenza. Fonte: IDTechEx

Alternative e idrogeno

Si stanno esplorando anche tecnologie non elettrochimiche come l'immagazzinamento gravitazionale o l'immagazzinamento criogenico dell'aria, ma sono in una fase iniziale di sviluppo e potrebbero non essere adatte per un immagazzinamento economico su tempi più lunghi. Il bilanciamento della domanda e dell'offerta per le reti che utilizzano alte percentuali di energie rinnovabili variabili richiederà una combinazione di stoccaggio di energia, sovracapacità, interconnessione e altre soluzioni come la capacità vehicle-to-grid e la risposta dal lato della domanda. In effetti, una varietà di tecnologie di immagazzinamento non elettrochimiche, dai supercapacitori all'immagazzinamento di energia ad aria compressa, sono state esplorate per applicazioni stazionarie.
 
L'idrogeno verde è anche discusso come una soluzione potenziale per lo stoccaggio di energia di lunga durata e continua a ricevere il sostegno del governo. Gli elettrolizzatori, siano essi di tipo PEM, alcalino o a ossido solido, possono essere usati per produrre idrogeno dall'acqua da immagazzinare per l'uso in un momento successivo. Resta da vedere se lo stoccaggio a lungo termine dell'idrogeno diventerà fattibile. Lo stoccaggio in bombole di gas potrebbe essere troppo costoso, mentre lo stoccaggio sotterraneo in acquiferi o caverne di sale, per esempio, ha dei vincoli geografici e rimane relativamente non testato. Un metodo alternativo di stoccaggio dell'H2 che si sta esplorando consiste nell'iniettare H2 nei gasdotti di gas naturale esistenti, dove c'è una capacità intrinseca di stoccaggio dell'energia, anche se ci saranno dei limiti alla quantità di idrogeno che può entrare nelle attuali reti di gas. Oltre a questo, l'idrogeno elettrolitico sarà necessario per rinverdire varie industrie come l'ammoniaca, l'acciaio o la produzione di prodotti chimici. L'uso dell'idrogeno per il consumo di energia, dove ci sono soluzioni alternative, potrebbe non essere la scelta ottimale. Invece, è la domanda dei settori industriali che IDTechEx si aspetta di guidare la domanda di elettrolizzatori e idrogeno verde.
 
Si prevede una crescita della domanda di elettrolizzatori. Fonte: IDTechEx
 
Per saperne di più sulla vasta gamma di batterie e tecnologie di immagazzinamento dell'energia in fase di sviluppo, si prega di visitare www.IDTechEx.com/EnergyStorage.
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