E’ indubbio che le batterie al litio rappresentino la principale novità nel campo delle soluzioni per accumulo energetico, grazie alle prestazioni decisamente superiori rispetto a quelle tradizionali ed alla maggiore facilità di utilizzo. Oltre agli indubbi vantaggi, non vanno sottostimati alcuni aspetti critici, legati all’approvvigionamento delle materie prime ed alla gestione del fine vita, come spiegheremo meglio in seguito.

Attualmente, con la generica dizione di batterie al litio si indicano 6 differenti tipologie, in funzione dei materiali impiegati per fabbricare gli elettrodi, chiamati “anodi” e “catodi”. A seconda della diversa combinazione dei metalli, si hanno le seguenti categorie: litio cobalto, litio manganese, litio ferro fosfato (LPF), litio nickel cobalto alluminio (NCA), litio nickel manganese cobalto (NMC) e litio titanato.

Queste diverse tipologie si differenziano per proprietà e caratteristiche, in funzione della composizione della struttura interna, con riferimento alla potenza specifica (Watt/Kg), alla densità di energia (Wh/kg o litri), alla stabilità termica, alla ciclabilità, alla prestazione ed infine, al profilo di costo e di vita utile attesa. 

Nel complesso, tutte le batterie agli ioni di litio hanno subito negli ultimi anni una rapida evoluzione, che ha condotto ad un sensibile incremento delle prestazioni del prodotto, soprattutto per affidabilità e durata, grazie ad un migliore disegno industriale delle celle e ad un più efficiente sistema di assemblaggio delle stesse.

I più recenti pacchi batterie, a seguito di queste varianti tecnico-produttive, garantiscono minore resistenza interna e una migliore gestione delle temperature di funzionamento, con conseguente riduzione dei fenomeni di surriscaldamento e, in ultima istanza, allungamento della vita utile attesa. 

Un recente studio, pubblicato nel gennaio 2020 dall’Istituto di ricerca svizzero MDPI (www.mdpi.com), ha analizzato il comportamento di alcune celle, fabbricate con chimiche diverse, in applicazioni per uso fotovoltaico. L’indagine ha posto a confronto il tasso di degrado degli accumulatori, rispetto a variabili quali la distribuzione dei consumi durante il giorno, la frequenza ed il profilo di ricarica, le tipologie di sito nel quale l’impianto era stato installato, la dimensione dell’impianto stesso, sempre con temperatura operativa compresa fra i 35° C ed i 45° C.

Il grado di obsolescenza delle batterie è funzione principalmente del fattore tempo (sul quale influiscono temperatura e stato di carica durante le fasi di stand-by) e del ciclaggio, anch’esso associato alla temperatura, e definito da numero, durata e profondità dei cicli di scarica. Nel corso dei test effettuati, si è osservato come l’uso ciclico incida, in termini di vita utile attesa, maggiormente sulle celle NMC (nickel-manganese-cobalto) rispetto a quelle LPF (ferro fosfato). Queste ultime presentano una migliore resistenza al ciclaggio, soprattutto quando si tratta di pacchi batterie di dimensioni ridotte, destinate ai piccoli impianti di fotovoltaico per uso domestico. Ciò spiega la larga diffusione, oramai uno standard consolidato, delle celle al litio ferro fosfato (LPF) nel campo delle energie rinnovabili. Per quanto concerne invece il profilo di carica e la localizzazione del sito, che influisce sull’irraggiamento giornaliero, non è stata rilevata alcuna correlazione significativa rispetto al tasso di obsolescenza, con comportamenti omogenei fra LFP e NMC. In sintesi, in base alle simulazioni effettuate, i casi analizzati mostrano che le batterie di nuova generazione, sia LFP che NMC, sottoposte a condizioni operative in un range di temperatura compreso fra 35° C e 45° C, hanno una durata effettiva non inferiore a 10 anni. E’ da sottolineare come si tratti di una vita utile perfettamente compatibile con il punto di pareggio di un impianto fotovoltaico, variabile fra gli 8 e i 12 anni a seconda del Paese e del relativo sistema tariffario. 

Riprendendo la comparazione delle diverse tipologie di celle, in termini di caratteristiche, si osserva come la densità di energia, espressa nel rapporto Wh/Kg, sia più elevata nelle combinazioni litio nickel cobalto alluminio (NCA), seguita da litio nickel manganese cobalto (NMC) e dal litio manganese, non a caso largamente usate per la produzione di pacchi batterie destinati al settore automobilistico. Sotto il profilo della sicurezza, pur avendo tutte le celle di nuova generazione raggiunto standard elevati, risultano maggiormente stabili le soluzioni litio ferro fosfato (LFP), litio titanato e litio nickel manganese cobalto (NMC).

Ma quanto costano le batterie al litio?

Sicuramente, più di quelle tradizionali al piombo-acido, poiché il loro costo è superiore in un rapporto da 3 a 5 volte, in funzione delle tipologie e soluzioni selezionate. A fronte di una maggiore spesa, gli accumulatori al litio garantiscono però prestazioni di gran lunga superiori rispetto a quelle al piombo. Basti ricordare che una batteria al litio di nuova generazione per uso automobilistico si ricarica completamente in circa 30 minuti, mentre una cella al piombo impiega non meno di 8 ore, così come il litio si caratterizza per l’assenza totale di manutenzione ed emissioni gassose. La buona notizia è che il costo del litio si è ridotto in maniera molto significativa nel corso degli ultimi 10 anni, grazie alla standardizzazione, alle crescenti economie di scala ed al più efficiente utilizzo dei materiali. Se nel 2010 il costo medio di una cella a sacchetto di tipo NMC era di 400 dollari per kWh, nel 2020 è stato di circa 120 dollari per kWh e si prevede una ulteriore discesa nei prossimi 5 anni intorno ai 100 dollari. Si registra una riduzione anche del costo dei pacchi batterie, sebbene in questo caso incidano alcune voci di spesa meno facilmente comprimibili, quali l’assemblaggio, i cablaggi, l’elettronica di controllo. Fra il 2019 e il 2020 si è passati da un costo medio di dollari 165 a dollari 150, e si prevede per il 2025 un valore di poco inferiore ai 120 dollari. Sotto la crescente spinta della mobilità elettrica, delle energie rinnovabili, e grazie alle crescenti economie di scala, non è difficile prevedere che le batterie al litio prenderanno ben presto il sopravvento in quasi tutte le applicazioni e in alcuni casi, sostituiranno le batterie tradizionali, in altri amplieranno il numero delle installazioni con accumulatori. Questa rapida diffusione comporta alcune criticità, sia sulla reperibilità delle materie prime, sia sulla gestione del prodotto a fine vita. Per quanto riguarda il primo aspetto, l’Unione Europea ha identificato alcune materie prime essenziali per la produzione dei nuovi accumulatori: cobalto, grafite, silicio, litio, nickel, le prime tre definite come “critiche”. Oltre a manganese, antimonio, rame, alluminio, stagno. L’approvvigionamento di questi materiali viene definito come potenzialmente vulnerabile e fortemente instabile. A livello mondiale, il 69% delle forniture di grafite proviene dalla Cina e il 64% del cobalto viene estratto nella Repubblica Democratica del Congo. La Cina riveste quindi una posizione di assoluto dominio nell’approvvigionamento della grafite e continua ad aumentare il controllo sulle miniere di cobalto e sugli impianti di raffinazione. Per quanto riguarda il litio, il 66% del consumo europeo è di provenienza cilena, mentre il principale Paese fornitore di nickel è la Russia (19%). All’interno dell’Unione Europea, gli unici Paesi a poter fornire un contributo sono la Finlandia (66% del cobalto consumato nell’Unione) e il Portogallo (11% del litio) e l’Italia, manco a dirlo, non dispone di alcuna delle suddette materie prime, nemmeno in piccole quantità. Per questi motivi, l’Unione Europea si è vista costretta a varare nell’ottobre 2017 un programma chiamato “European Battery Alliance” (EBA) con l’obiettivo di adottare “concrete misure atte a sviluppare un innovativo, compatibile e competitivo eco-sistema europeo delle batterie”. 

Per quanto riguarda la gestione del prodotto a fine vita, a oggi non risultano in Europa impianti in grado di riciclare e recuperare i materiali degli accumulatori: da una parte, il litio è fortemente instabile e facilmente infiammabile, dall’altra, si tratta di prodotti contenenti un ampio spettro di materiali (plastiche, ceramiche, cobalto, nickel, grafite, rame, manganese, alluminio, etc.), presenti con mix differenti in funzione delle tipologie di anodo e catodo. Per inciso, si usa comunemente il termine di batterie al litio anche se questo metallo in genere non supera il 3% dei materiali complessivamente impiegati. 

Attualmente, le batterie esauste al litio vengono in alcuni casi fuse in fornace per recuperare soltanto i preziosi rame e cobalto, mentre il resto finisce in discarica. Riciclare il litio, con le tecnologie attuali, presenta un costo superiore rispetto all’acquisto in miniera.

A causa di queste difficoltà nello smaltimento, alcune case produttrici provvedono direttamente al ritiro del pacco accumulatori quando la capacità residua non è più sufficiente per l’impiego automobilistico e lo destinano ad applicazioni fotovoltaiche, compatibili con una capacità inferiore, differendo così nel tempo il problema dello smaltimento. 

In conclusione, l’aspetto più critico, in termini di sostenibilità ambientale, è proprio rappresentato dal processo di smaltimento, contrariamente a quanto avviene per le batterie al piombo-acido, il cui tasso di recuperabilità è molto alto e raggiunge il 90%.

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Andrea Sanvito
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