Introduzione
Le batterie solide rappresentano un significativo progresso tecnologico nel settore dei sistemi energetici. Risolvono i problemi chiave legati all'uso delle tradizionali batterie al litio‑ione, come la bassa densità energetica, l'alto costo, il rischio di fuoriuscita dell'elettrolita e le limitazioni della vita utile. Per le produzioni industriali, soprattutto in Ucraina, dove la stabilità energetica è critica, le batterie solide possono diventare una soluzione per garantire un'alimentazione di riserva affidabile.
Fondamenti scientifici
Batterie solide utilizzano elettroliti solidi al posto di quelli liquidi, garantendo sicurezza, stabilità e lunga durata. Funzionano basandosi su reazioni elettrochimiche tra anodo, catodo ed elettrolita solido. Secondo le ricerche pubblicate su «Journal of Power Sources» (2023), le batterie solide possono raggiungere una densità energetica fino a 500 Wh/kg, superando le prestazioni delle batterie tradizionali.
Secondo lo standard EN 62133:2017, le batterie a base solida presentano una maggiore stabilità nel funzionamento in diverse condizioni di temperatura, da -20°C a 60°C. Questo le rende adatte per applicazioni industriali che richiedono alimentazione continua in condizioni climatiche variabili.
Sviluppo attuale
La tecnologia di prontezza (TRL) delle batterie a stato solido attualmente si aggira tra 6 e 7, il che significa che sono già state superate le fasi di ricerca laboratoriale e di prototipi. I principali attori, come Toyota, QuantumScape e Solid Power, sviluppano prototipi che soddisfano le specifiche ISO 13849-1:2015 per l'automazione industriale sicura.
Accumulatori solidi sviluppati da QuantumScape hanno una durata fino a 10 anni e una densità energetica di 400 Wh/kg. Rispettano lo standard DSTU 4227:2008, che stabilisce le richieste per gli elementi elettrochimici per l'uso industriale.
Impatto sull'MRO
L'introduzione di batterie a stato solido cambierà gli approcci relativi alla manutenzione, alla sostituzione e alle operazioni nel settore industriale. Offrono un periodo di funzionamento più lungo senza interventi di manutenzione, riducendo la frequenza delle manutenzioni preventive. Secondo uno studio pubblicato su «IEEE Transactions on Industrial Electronics» (2022), le batterie a stato solido possono ridurre i costi di manutenzione del 30–40%.
L'uso di tali batterie richiede inoltre l'aggiornamento dell'infrastruttura, inclusa la progettazione di nuove sistemi di ricarica, dispositivi di controllo e algoritmi diagnostici. Secondo ISO 13374-1:2012, le richieste per i sistemi elettronici di controllo nei sistemi industriali aumentano al fine di garantire la sicurezza ed efficienza del funzionamento.
Grafico temporaneo e curva di accettazione
Il calcolo dell'adozione delle batterie a stato solido nel settore industriale dell'Ucraina è stimato tra il 2026 e il 2035. Nel 2026 si prevede l'introduzione dell'uso delle batterie a stato solido in piccoli impianti industriali, come generatori di alimentazione di riserva. Nel 2028 si verifica un uso diffuso nel medio impianto produttivo, mentre entro il 2035 si estende a tutti gli impianti industriali ad alto livello di automazione.
Il costo della produzione delle batterie a stato solido diminuirà del 20–30% entro il 2030, rendendole più accessibili per le imprese industriali. Secondo uno studio pubblicato su «Energy Storage Materials» (2023), questo cambierà l'attrattività economica della produzione.
Sfide e ostacoli
Sul percorso verso l'adozione di massa di batterie solide esistono ostacoli tecnici, economici e regolatori. Tecnologicamente, la produzione di elettroliti solidi richiede alta precisione e temperatura controllata, aumentando i costi di produzione. Economicamente, l'assenza di produzione di massa porta a costi elevati, che potrebbero essere superiori a quelli delle batterie tradizionali.
Le barriere regolatorie includono l'assenza di standard chiari per le batterie alcaline in Ucraina. Nel 2024 si prevede l'adozione dello standard DSTU 4227:2008, che stabilisce le richieste per gli elementi elettrochimici per l'uso industriale. Intanto, la certificazione secondo gli standard CE e UkrSEPRO svolge un ruolo chiave nel garantire la sicurezza.
Cosa devono fare gli ingegneri del production engineering
Gli ingegneri del processo produttivo devono effettuare diversi passaggi pratici per prepararsi all'implementazione di batterie solide. Il primo passo consiste nell'analisi dei sistemi di alimentazione attuali e nel determinare i punti in cui può essere utilizzato l'alimentazione di riserva. Il secondo passo consiste nello studio degli standard, come ISO 13849-1:2015, per garantire la conformità del sistema.
Terzo passo è la creazione di un piano di modernizzazione, che include l'aggiornamento dei sistemi di carica, degli apparecchi di controllo e degli algoritmi diagnostici. Quarto passo — l'esecuzione del servizio a distanza e l'utilizzo dei dati dai sensori per la previsione dei consumi e del tempo di servizio.
Conclusione
Accumulatori solidi hanno un alto potenziale per modificare i sistemi industriali di alimentazione di riserva. Offrono una maggiore durata, una riduzione dei costi di manutenzione e un aumento della sicurezza. Tuttavia, la loro diffusione di massa richiede formazione tecnica, investimenti economici e modifiche regolatorie.
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Elenco della letteratura utilizzata
- Journal of Power Sources, 2023
- IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2022
- Materiali per la Conservazione dell'Energia, 2023
- EN 62133:2017, «Cellule e batterie a ioni di litio secondari — Requisiti di sicurezza per le cellule e batterie a ioni di litio secondari»
- ISO 13849-1:2015, «Sicurezza delle macchine — Parti delle sistemi di controllo aventi carattere di sicurezza — Parte 1: Principi generali per il progetto»
- DSTU 4227:2008, «Elementi elettrochimici e batterie per uso industriale»
- ISO 13374-1:2012, «Sistemi di accumulo di energia elettrica — Parte 1: Requisiti generali e sicurezza»
