Environmental impacts of different battery technologies in off-grid hybrid renewable energy systems (OHRES)

Access to sustainable and reliable energy sources for all has been listed as one of the goals of the UN's 2030 Agenda. In this regard, various solutions have been evaluated in recent years. Among them, hybrid microgrids have often been found to be the most suitable [1]. However, one of the critical issues of these systems is the stochastic behavior of the renewable sources. In this context, battery energy storage systems can be used for the smart management of energy resources. Despite their central role in increasing the reliability of microgrids, batteries present environmental criticalities related to the depletion of the rare materials that compose them and the environmental pollution they produce throughout their life cycle. Based on these considerations, this thesis work aims to investigate the environmental impact of batteries currently adopted in island microgrid systems. With this objective, an energy system composed of a photovoltaic system, a wind turbine, a diesel generator, and an energy storage system is studied. The latter will be based on two different architectures, BESS (Battery Energy Storage System) and HBESS (Hybrid Battery Energy Storage Systems). The last of these connects traditional lead-acid batteries and lithium batteries in parallel. The strength of this thesis is the holistic approach employed in the analysis, which is divided into three steps: 1. The optimized system design 2. The modeling with computational code of the operation phase 3. The system life cycle analysis Unlike other studies in the literature, battery life is obtained not through a database, but rather through the simulation of the battery pack's dynamic behavior when they perform variable charge-discharge cycles and their degradation with ambient temperature variations. Life cycle analysis indicates that of all the battery packs modeled, the one using LFP cells has the least environmental impact. This result is corroborated by analyzing five different impact categories and modeling three scenarios that take into account the influence of the battery performance indicated by the manufacturers, the energy mix used during the production phase, and the composition of the lead market. Finally, the effects of end-of-life treatments on the most critical components are qualitatively analyzed, paying particular attention to batteries.

L’accesso a fonti di energia sostenibili ed affidabili per tutti è stato annoverato tra gli obiettivi dell’agenda 2030 dell’ONU. Con questo proposito negli ultimi anni si sono valutate varie soluzioni: tra queste, le microreti ibride sono quelle che si sono rilevate spesso le più adatte [1]. Tuttavia, uno degli aspetti più problematici di questi sistemi è il carattere stocastico della generazione da fonti rinnovabili. In questo contesto i sistemi di accumulazione energetica a batterie possono essere utilizzati per lo sfruttamento intelligente delle risorse energetiche. Nonostante, il loro ruolo centrale nell’aumentare l’affidabilità delle microreti, le batterie presentano delle criticità ambientali connesse all’esaurimento dei materiali rari che le compongono e all’inquinamento che producono durante tutto il loro ciclo di vita. E’ su queste considerazioni che questo lavoro di tesi si propone di investigare l’impatto ambientale delle batterie che vengono attualmente adottate nelle microreti in isola. Con questo obiettivo viene studiato un sistema energetico formato da un impianto fotovoltaico, una turbina eolica, un gruppo elettrogeno, e un sistema di accumulazione di energia. Quest’ultimo si baserà su due diverse architetture, BESS (Battery Energy Storage System) e HBESS (Hybrid Battery Energy Storage Systems). L’ultima di queste collega in parallelo le tradizionali batterie al piombo e le batterie al litio. Il punto di forza della tesi è costituito dall’approccio olistico impiegato nell’analisi, il quale si suddivide in tre passi: 1. Il design ottimizzato del sistema 2. La modellazione con codice di calcolo della fase di operazione 3. L’analisi del ciclo di vita del sistema A differenza di altri studi presenti in letteratura, la vita utile delle batterie viene ottenuta non attraverso una base di dati, ma bensì sulla simulazione del comportamento dinamico del pacco batterie di fronte a cicli variabili di carica-scarica e sulla variazione della temperatura ambiente. L’analisi del ciclo di vita indica che tra tutti i pacchi batterie modellati quello che utilizza celle LFP ha il minor impatto ambientale. Questo risultato viene corroborato analizzando cinque diverse categorie d’impatto e modellando tre scenari che tengono conto dell’influenza delle prestazioni indicate dai produttori, del mix energetico usato durante la fase di produzione, e della composizione del mercato del piombo. Infine, vengono analizzati qualitativamente gli effetti dei trattamenti di fine vita dei componenti più critici, facendo particolare attenzione alle batterie.