Attraverso un'ampia gamma di tecnologie di accumulo energetico, la loro storia e le prospettive future, IDTechEx analizza l'andamento del settore nell'ultimo anno e le sue prospettive per il prossimo.
Batterie agli ioni di litio e la domanda di materiali
Si prevede che la domanda di batterie agli ioni di litio crescerà rapidamente nei prossimi 10 anni, trainata principalmente dall'elettrificazione dei trasporti. Ciò comporterà un aumento della domanda di veicoli elettrici a batteria (BEV), ma anche per una vasta gamma di altri tipi e segmenti di veicoli, ed è proprio a questi segmenti non automobilistici che molti produttori di batterie si rivolgeranno. Il rapporto IDTechEx, "Lithium-Ion Batteries for Electric Vehicles 2021-2031", analizza le tendenze tecnologiche delle batterie per veicoli elettrici ed esamina i produttori di pacchi batteria che si rivolgono ad autobus, veicoli commerciali e molti altri segmenti non automobilistici. Tuttavia, sebbene gli ioni di litio rimarranno la tecnologia dominante nei veicoli elettrici, le preoccupazioni relative a potenziali colli di bottiglia nell'approvvigionamento di alcuni materiali critici, come litio, nichel o grafite, potrebbero in definitiva limitare il ritmo di adozione dei veicoli elettrici. Il rapporto IDTechEx, "Materials for Electric Vehicle Battery Cells and Packs 2021-2031", prevede una crescita della domanda di materiali per batterie agli ioni di litio, compresi quelli utilizzati in celle e pacchi. IDTechEx si occupa anche del mercato più ampio delle batterie agli ioni di litio, fornendo un'analisi dettagliata della tecnologia e dei principali attori. Oltre alle sfide che la rapida crescita della domanda di materiale può comportare, sussistono anche preoccupazioni circa l'impatto ambientale e la sostenibilità della produzione di batterie agli ioni di litio.
Riciclo degli ioni di litio
Il riciclo offre una soluzione parziale alle sfide di sostenibilità e di catena di approvvigionamento che l'industria degli ioni di litio si trova ad affrontare, garantendo un certo grado di circolarità: i materiali provenienti da rifiuti e batterie a fine vita possono essere estratti e raffinati per essere riutilizzati nella produzione di celle e batterie. Ciò può avere diversi effetti positivi. Può diversificare l'approvvigionamento di materiali, contribuendo a ridurre la dipendenza da un singolo paese o regione. Dal punto di vista ambientale, il riciclo degli ioni di litio, in particolare attraverso processi idrometallurgici o di riciclo diretto, dovrebbe ridurre il fabbisogno energetico complessivo per la produzione di celle rispetto all'utilizzo di materiali vergini. Anche altre emissioni, come SOx, NOx e particolato, oltre alla CO2, dovrebbero essere inferiori con l'utilizzo di materiale riciclato anziché estratto da materie prime. Le capacità locali di riciclo e raffinazione, come quelle che si stanno sviluppando in Europa e negli Stati Uniti, possono inoltre ridurre la distanza percorsa dai materiali, diminuendo ulteriormente il profilo emissione delle batterie agli ioni di litio. Tuttavia, anche se entro il 2030 si creasse una capacità di riciclo sufficiente a trattare l'intero volume di rifiuti di batterie agli ioni di litio, il materiale riciclato contribuirebbe solo a una frazione della domanda di materiali.
Per contribuire ad alleviare le potenziali limitazioni della catena di approvvigionamento, sono in fase di sviluppo diverse tecnologie alternative per batterie e sistemi di accumulo di energia che potrebbero sostituire le batterie agli ioni di litio in applicazioni in cui la densità energetica non è così critica. Le applicazioni per queste tecnologie potrebbero includere piccole auto elettriche urbane, autobus elettrici, veicoli ibridi, camion a celle a combustibile e veicoli a guida autonoma, tutti inclusi nel portafoglio di ricerca sui veicoli elettrici di IDTechEx. Tuttavia, la varietà di tecnologie di accumulo di energia disponibili e in fase di sviluppo è più evidente nel settore dell'accumulo di energia stazionario. Questo perché la densità energetica diventa meno critica nell'accumulo di energia stazionario, consentendo l'utilizzo di una vasta gamma di tecnologie.
Batterie a stato solido
Con le IPO di Solid Power e QuantumScape, le batterie a stato solido stanno attirando una notevole attenzione, soprattutto per le applicazioni nei veicoli elettrici (EV). I veicoli elettrici sono il principale motore dello sviluppo delle batterie a stato solido e molte case automobilistiche hanno annunciato novità per il prossimo anno. Sono stati compiuti progressi in tutti i segmenti della tecnologia delle batterie a stato solido: polimeri, ossidi e solfuri. Tra questi miglioramenti, l'anodo al litio metallico si distingue come essenziale per raggiungere una maggiore densità energetica, che migliora le prestazioni delle batterie a stato solido e le rende più competitive. Anche il passaggio dallo sviluppo di materiali e celle alla produzione pilota e di massa rappresenta una tendenza importante. È piuttosto comune che i produttori di batterie a stato solido collaborino con le case automobilistiche per lo sviluppo. Ulteriori dettagli su tecnologie, attori e mercati sono disponibili in ricerche sulle batterie a stato solido e polimeriche.
batterie sottili, flessibili e stampate
Le batterie sottili, flessibili e stampate sono da tempo oggetto di discussione e molte hanno trovato applicazioni di nicchia. Sebbene molte di queste batterie utilizzino tecnologie consolidate, individuare applicazioni adatte con un'elevata domanda è fondamentale per la loro crescita. Con diverse aziende già attive in questo settore, la concorrenza si fa sempre più agguerrita. L'azienda che individuerà le applicazioni più rilevanti, ovvero quelle che richiedono le caratteristiche uniche delle batterie sottili, flessibili e stampate, sarà quella che avrà successo e dominerà questo mercato. Per maggiori dettagli, consultare il report IDTechEx sulle batterie sottili, flessibili e stampate.
Ioni Na-
Le batterie agli ioni di sodio hanno suscitato un rinnovato interesse in seguito all'annuncio dello sviluppo da parte di CATL. Simili per molti aspetti alle batterie agli ioni di litio, le batterie agli ioni di sodio utilizzano il sodio (Na) come elemento attivo al posto del litio (Li), come suggerisce il nome. Le batterie agli ioni di sodio sono generalmente caratterizzate da potenze e cicli di vita leggermente superiori rispetto alle celle agli ioni di litio NMC e LFP, ma con densità di energia gravimetrica leggermente inferiori. Sebbene le batterie agli ioni di sodio riducano ovviamente la dipendenza dal litio, i loro catodi possono ancora utilizzare cobalto e nichel, quindi la loro efficacia nel ridurre la dipendenza da questi materiali dipende interamente dalla specifica composizione chimica del catodo utilizzato.
batterie a flusso redox
Le batterie a flusso redox si differenziano dalle batterie a intercalazione, come quelle agli ioni di litio e agli ioni di sodio, in quanto immagazzinano energia nell'elettrolita, separatamente dalla cella elettrochimica, consentendo il disaccoppiamento della potenza. Questo aspetto fondamentale rende le batterie a flusso redox particolarmente adatte per applicazioni di accumulo di energia stazionarie, soprattutto di lunga durata. Il vanadio è di gran lunga la chimica più diffusa, con 15-20 aziende che commercializzano sistemi a base di vanadio. Tuttavia, l'elevato costo del vanadio comporta ingenti investimenti iniziali che possono risultare proibitivi per una diffusione capillare, sebbene si stiano esplorando sistemi come il noleggio dell'elettrolita per cercare di ridurre le spese iniziali. Ciononostante, l'alto costo del vanadio ha portato allo sviluppo di chimiche alternative per le batterie a flusso redox che utilizzano materiali attivi a basso costo, come la chimica a base di solo ferro sviluppata da ESS Inc., o persino batterie a flusso che possono utilizzare composti organici a basso costo e ampiamente disponibili come materiale elettrolitico attivo.
Alternative e idrogeno
Si stanno esplorando anche tecnologie non elettrochimiche, come l'accumulo gravitazionale o l'accumulo criogenico ad aria, ma sono ancora in una fase iniziale di sviluppo e potrebbero non essere adatte per un accumulo a lungo termine economicamente vantaggioso. Bilanciare domanda e offerta nelle reti che utilizzano elevate percentuali di energia rinnovabile variabile richiederà una combinazione di accumulo di energia, capacità in eccesso, interconnessione e altre soluzioni come la connettività veicolo-rete (V2G) e la gestione della domanda. Infatti, diverse tecnologie di accumulo non elettrochimiche, dai supercondensatori all'accumulo di energia ad aria compressa, sono oggetto di studio per applicazioni stazionarie.
L'idrogeno verde è anche oggetto di discussione come potenziale soluzione per lo stoccaggio di energia a lungo termine e continua a ricevere il sostegno governativo. Gli elettrolizzatori, siano essi a membrana a scambio protonico (PEM), alcalini o a ossido solido, possono essere utilizzati per produrre idrogeno dall'acqua e immagazzinarlo per un uso successivo. Resta da vedere se lo stoccaggio di idrogeno a lungo termine sarà fattibile. Lo stoccaggio in bombole di gas potrebbe essere proibitivamente costoso, mentre lo stoccaggio sotterraneo in falde acquifere o caverne di sale, ad esempio, presenta limitazioni geografiche e non è ancora stato testato. Un metodo alternativo di stoccaggio dell'idrogeno attualmente in fase di studio prevede l'iniezione di H2 nelle condotte del gas naturale esistenti, dove esiste una capacità di stoccaggio energetico intrinseca, sebbene vi saranno limiti alla quantità di idrogeno che può entrare nelle attuali reti del gas. Oltre a ciò, l'idrogeno elettrolitico sarà necessario per potenziare diversi settori industriali, come la produzione di ammoniaca, acciaio e prodotti chimici. Utilizzare l'idrogeno per il consumo energetico, quando esistono soluzioni alternative, potrebbe non essere la scelta ottimale. Al contrario, IDTechEx prevede che la domanda proveniente dai settori industriali guiderà la domanda di elettrolizzatori e di idrogeno verde.
