Caratteristiche tecniche di una batteria

Rubrica: Energia

Titolo o argomento: Specifiche tecniche che descrivono le prestazioni di una batteria
Capacità

La capacità viene misurata in Amperora (Ah) e corrisponde alla carica elettrica accumulata e disponibile durante la scarica. Trattandosi di una caratteristica dinamica, essa deve essere definita insieme alle condizioni operative in cui viene misurata o a cui si riferisce dato che dipende dalle modalità in cui la batteria viene scaricata, nonché dalla temperatura e dalle varie condizioni operative. La capacità di una batteria che viene scaricata in 1 ora è di gran lunga inferiore a quella della stessa batteria scaricata in 20 ore.

Energia specifica o densità di energia

E’ la quantità di energia  che viene accumulata in una data batteria per unità di massa (o di volume), essa è legata alla reale autonomia del dispositivo sul quale viene installata (una calcolatrice così come un’auto elettrica). Per far riferimento ad un tema assai attuale, quale quello dei veicoli elettrici, è interessante notare che il primo motivo che ancora frena la larga diffusione di veicoli elettrici siaè la bassa energia specifica delle batterie, infatti 1 kg di benzina contiene oltre 12 kWh di energia contro 0,1 kWh di energia accumulata in 1 kg della migliore batteria attuale. Sebbene i concetti siano fondamentalmente i medesimi, l’energia specifica si esprime in termini di massa mentre la densità di energia si esprime in termini di volume. L’energia specifica è il rapporto tra l’energia accumulata e l’unità di massa in cui viene accumulata (Energia specifica ρ = Energia/Massa = kWh/kg), mentre la densità di energia è il rapporto tra l’energia accumulata e l’unità di volume che la contiene (Densità di energia ρ = Energia/Volume = kWh/dm^3).

Potenza specifica o densità di potenza

La potenza di un dispositivo elettrico, ad esempio un motore, dipende dalla potenza erogabile dalla batteria. E’ importante notare un aspetto critico che vede inevitabilmente legate la potenza specifica e l’energia specifica, infatti la potenza di scarica incide notevolmente sull’effettiva energia utile erogabile dalla batteria. Anche in questo caso, come per la precedente voce, i concetti di potenza specifica e densità di potenza sono fondamentalmente i medesimi, tuttavia la potenza specifica si esprime in termini di massa mentre la densità di potenza si esprime in termini di volume. La potenza specifica è il rapporto tra l’energia accumulata e l’unità di massa dalla quale viene erogata (Potenza specifica σ = Potenza/Massa = kW/kg), mentre la densità di potenza è il rapporto tra la potenza e l’unità di volume che la eroga (Densità di potenza σ = Potenza/Volume = kW/dm^3).

Vita ciclica

La durata di una batteria, la sua vita, è un parametro che solitamente si misura in numero di cicli profondi ovvero quante volte  essaè in grado di scaricarsi all’80% della sua capacità e riesce a ricaricarsi fino ad un valore non inferiore all’80% della sua stessa capacità. La vita ciclica è un parametro estremamente variabile il quale è largamente influenzato dalle condizioni d’uso. Per questa ragione risulta oltremodo importante non solo una progettazione ottimale del sistema di accumulo, bensì lo studio di precise modalità di ricarica e di manutenzione.

Rendimento energetico

Il rendimento energetico di un accumulatore elettrochimico dipende dal rendimento di scarica, dal rendimento di carica, la gassificazione (in riferimento ai sistemi ad elettrolita acquoso), dall’autoscarica, dal condizionamento termico (in riferimento ai sistemi operanti ad elevata temperatura). Il rendimento energetico influenza i consumi e, di conseguenza, i costi di esercizio. Esso, in un ciclo completo di carica/scarica varia tra il 50 e l’85% a seconda del tipo di batterie.

Costi

I costi di acquisto delle batterie dipendono dalla disponibilità ed il costo delle materie prime, il processo produttivo e la scala di produzione. I costi di esercizio dipendono dalle tariffe elettriche, dall’ammortamento di un eventuale impianto fotovoltaico atto alla ricarica e dal costo di sostituzione del pacco batterie durante la vita utile del veicolo che è solitamente maggiore della vita utile delle batterie stesse. I costi di manutenzione dipendono dalla tipologia di batteria. Ad esempio le batterie ad elettrolita acquosa necessitano di rabbocco di acqua distillata, quelle ad alta temperatura richiedono il controllo della corrosione e del mantenimento in temperatura, e così via. Infine è fondamentale tener conto non solo del costo unitario delle diverse tipologie di batterie (costo/kWh accumulato), bensì anche della loro durata e del loro rendimento.

Ricarica delle batterie

Se l’energia specifica delle batterie è il primo motivo che frena la larga diffusione dei veicoli elettrici, i tempi di ricarica costituiscono una seconda rilevante problematica. Mediamente ci aggiriamo intorno a tempi di ricarica completa pari a 6-8 ore con picchi, nel caso Tesla Roadster (nonchè Tesla Model S, ecc.) di sole (si fa per dire) 3 ore utilizzando un dispositivo BOOSTER (in dotazione con il veicolo) in grado di offrire una ricarica pari all’80% della capacità totale.
Si sta ovviamente pensando anche a soluzioni alternative quali ad esempio l’utilizzo di un piccolo motore a combustione interna (Vedi link in basso) fatto funzionare sempre e solo in condizioni ottimali e con consumi minimi per caricare le batterie o alimentare il motore elettrico; si sta pensando di inserire in Germania, lungo le autostrade, dispositivi di ricarica wireless (vedi link in basso); qualcuno pensa persino di elettrificare le autostrade, altri, più propriamente, pensano a stazioni di servizio nelle quali viene sostituito l’intero pacco batterie o, come nel caso delle batterie alluminio-aria, solo gli elettrodi consumati.

Precisazioni importanti

Quella che noi chiamiamo “batteria” si chiama più propriamente “accumulatore” o, meglio ancora, accumulatore elettrochimico. Quello che solitamente viene chiamato “motore elettrico” si chiama in realtà “macchina elettrica” anche se nel parlato comune con tali termini si fa riferimento a quello che in realtà si chiama “autoveicolo elettrico”.

Continua…
Link correlati
Sistemi di accumulo elettrochimico dell’energia: Le batterie
Auto elettriche: Ricarica Wireless in autostrada
Auto elettriche: Autostrade elettrificate
Lotus Range Extender

Accumulatore elettrochimico

Potete ricaricare una batteria collegandola, mediante opportuni dispositivi, alla rete elettrica,
oppure ad una colonnina di ricarica fotovoltaica o, persino, sostituendo meccanicamente gli
elettrodi. Ogni scarica fino all’80% della capacità (più la relativa ricarica) costituisce un ciclo.
Per aumentare la longevità di una batteria è preferibile evitare scariche profonde.