ACCUMULI DI ENERGIA
Generare energia pulita non è ormai più sufficiente: oggi la nuova frontiera del fotovoltaico è l’accumulo di energia solare in sistemi integrati dai quali cui possiamo prelevare l’energia prodotta e messa da parte nel momento del bisogno.
Questo perché il fotovoltaico, nonostante rimanga la base della maggior parte dei sistemi di risparmio energetico come già visto in precedenza, è ormai cambiato, il conto energia è superato e probabilmente ci vorrà ancora parecchio tempo prima che si ri-verifichino (ammesso e concesso che possa accadere) le condizioni economiche cha hanno trainato l’interesse del cliente e quindi il settore qualche anno addietro.
Gli accumulatori di energia le fonti rinnovabili rappresentano pertanto il futuro energetico.
Ad oggi i sistemi di accumulo consentono l’immagazzinamento dell’energia elettrica prodotta dal proprio impianto fotovoltaico che produce durante il giorno una data quantità di energia che difficilmente viene utilizzata dall’utente nell’immediato a fronte della mancata coincidenza dei picchi di produzione dai picchi di consumo effettivo. Parte sostanziale dell’energia elettrica prodotta dall’impianto fotovoltaico viene infatti immessa in rete non verificandosi in una pluralità di periodi le condizioni ottimali per l’autoconsumo.
L’immissione in rete della produzione fotovoltaica comporta una perdita importante di valore economico, molto semplicemente perché il sistema paga l’energia immessa un ad un prezzo inferiore al costo di fornitura in bolletta.
L’alternativa all’immissione in rete è esclusivamente l’autoconsumo. Ecco che allora l’utilizzo di sistemi di accumulo di energia elettrica diventa di cruciale importanza.
Si distinguono a questo punto 4 periodi standard tipici delle casistiche*** che si possono verificare in presenza di un sistema di produzione di energia fotovoltaica in abbinata ad un sistema di accumulo energetico:
MATTINA
Solo dopo il sorgere del sole l’impianto fotovoltaico inizia la produzione di energia, che può essere utilizzata dall’utente per ottimizzare il consumo proprio. L’energia prodotta o in eccesso può essere utilizzata per caricare le batterie fotovoltaiche.
POMERIGGIO
Continua la produzione energetica dell’impianto fotovoltaico ed il sistema di accumulo è saturo (batterie cariche), a questo punto si verificherà l’autoconsumo dell’energia prodotta, e l’immissione in rete dell’energia prodotta in eccesso.
SERA
Tramontato il sole, l’impianto fotovoltaico cessa la propria produzione (mancando l’irraggiamento), a questo punto entra in gioco il sistema ad accumulo elettrico che commuta automaticamente dalla stato di ri-ricarica (o mantenimento) delle batterie, allo stato di erogazione dell’energia immagazzinata nel sistema di accumulo.
NOTTE
L’utilizzo dell’energia accumulata come alimentazione dell’impianto elettrico continua poi durante la notte, non essendoci in tale lasso di tempo altri sistemi di produzione di energia rinnovabile che consentano autoconsumo o ricarica dell’accumulo.
Il tempo di sostentamento dei consumi dell’impianto elettrico interno dipenderà allora dal dimensionamento fatto a monte dell’impianto di accumulo in relazione ai consumi prelevati.
Nel momento in cui il sistema di accumulo non fosse più sufficiente ad alimentare i consumi notturni, l’energia verrà prelevata dalla rete elettrica pubblica, in modo da coprire il fabbisogno.
*** condizioni, situazioni, modalità e flussi possono variare in funzione delle innumerevoli configurazioni di funzionamento oggi possibili con i moderni sistemi intelligenti di accumulo.
Utilizzando gli accumulatori si ha perciò la possibilità di mettere da parte l’energia elettrica prodotta durante il giorno e non auto-consumata, utilizzandola invece durante la notte, o comunque nelle ore di mancata produzione dell’impianto fotovoltaico, in sostituzione del prelievo dalla rete o in riduzione dello stesso.
Le batterie, dunque, consentono di avere il massimo risparmio in bolletta, in quanto servono ad aumentare la quota di autoconsumo, e quindi di risparmio, anche per i consumi serali o notturni.
PRODUZIONE E CONSUMO DI ENERGIA SOLARE
Un sistema di accumulo di energia elettrica è imprescindibile da un buon sistema di gestione intelligente dell’energia prodotta, ossia un sistema per gestire i flussi di consumo e produzione elettrica in modo da ottimizzare l’autoconsumo e minimizzare l’utilizzo della rete elettrica.
Il sistema di gestione intelligente ha principalmente allora tre funzioni:
- Dà priorità all’autoconsumo dell’energia prodotta da fonti rinnovabili installate;
- Riduce al minimo le immissioni in rete favorendo il consumo di energia a costo zero;
- Riduce al minimo il prelievo di energia dalla rete, diminuendo o quasi azzerando i costi di fornitura.
Alle quali se ne può aggiungere una quarta di “Backup”:
In caso di interruzione della fornitura di energia dalla rete elettrica, sia essa di qualche istante o di qualche ora, il sistema di accumulo può garantire l’alimentazione di emergenza, la continuità nell’erogazione della corrente elettrica prolungando così la durata di backup
Questo perché nei casi di sospensione della fornitura energetica dalla rete, gli impianti fotovoltaici vengono scollegati dalla rete elettrica poiché non viene più alimentato il contatore dello scambio sul posto.
Dunque il sistema di gestione intelligente dell’energia in linea di principio favorirà prima l’alimentazione delle utenze con l’energia autoprodotta quindi la ricarica delle batterie, l’immissione in rete e da ultimo il prelievo dalla rete qualora necessario.
Infatti, le utenze prenderanno energia direttamente dall’impianto fotovoltaico o eolico, se l’impianto non produce ricorreranno a quella stoccata negli accumulatori e solo quando gli accumulatori saranno completamente scarichi, l’energia verrà prelevata dalla rete e fatturata in bolletta.
Qualora integrato con i più moderni impianti elettrici, il sistema di gestione intelligente dell’energia adeguatamente dimensionato permetterà altresì l’attivazione di apparecchiature programmabili solo nel momento in cui il livello di produzione energetica da fonte rinnovabile sarà sufficiente al loro funzionamento. Ecco allora che elettrodomestici configurati in un sistema ad accensioni programmabili, ad es. lavatrici o lavastoviglie, si attiveranno solo quando l’impianto fotovoltaico o quello mini eolico produrranno sufficiente energia elettrica per il loro funzionamento.
Ogni unità domestica (come anche ogni attività produttiva) presenta consumi elettrici diversi, in base al numero di persone (impianti), al tipo di utenze e/o elettrodomestici (macchinari) collegati, al comportamento di consumo (orari di produzione e turni di lavoro), ai sistemi di produzione di calore (caldaia tradizionale o sistemi in pompa di calore).
Ad esempio in alcune situazioni residenziali (in realtà non così sporadiche …), vengono utilizzati abitualmente veri e propri “divoratori di energia”, come ad esempio gli asciugabiancheria elettrici; altre situazioni sono caratterizzate da forti carichi base, causati da sistemi di aerazione o riscaldamento, o carichi prolungati (si pensi all’illuminazione invernale)
Utilizzando un sistema di accumulo di energia la quota di autoconsumo di un immobile (residenziale in primo luogo) può agevolmente superare l’85% soddisfacendo in determinate condizioni anche il 100% dei consumi
I sistemi di accumulo dell’energia elettrica tecnicamente possono essere di diverso di tipo ed estrazione chimico, elettrochimico (batterie), elettrico e meccanico.
I sistemi oggi maggiormente diffusi ed alla portata sono oggi legati in ambito residenziale alle batterie, nonostante all’interno di tale categoria si possa trovare di ogni tipo.
ACCUMULI ELETTRO-CHIMICI: LE BATTERIE
Gli accumuli a batteria si caratterizzano in base alle combinazioni chimiche impiegate all’interno (le classiche piombo-acido, le più moderne agli ioni-litio, poi zolfo-sodio, nichel-cadmio, ecc.).
Ad oggi le più promettenti sono le batterie ioni-litio conosciute per il largo impiego su pc portatili, telefoni cellulari e smartphone.
I vantaggi nell’impiego di questo tipo di batterie sono diversi: dimensioni finali più piccole in funzione di una maggiore densità energetica, quindi peso ridotto, durata in relazione ai maggiori cicli di carica-scarica possibili, tempi di ricarica inferiori rispetto alle sorelle su base piombo, assenza di effetto memoria e assenza di materiali tossici.
Quanto sopra al prezzo di un maggior costo di produzione, oggi via via sempre più in corso di riduzione a seguito della larga diffusione presso consumatori finali e B2B.
Le batterie negli accumuli sono inoltre la componente fondamentale degli impianti fotovoltaici isolati dalla rete elettrica. Le batterie hanno il compito di accumulare l’elettricità prodotta in eccesso rispetto alle necessità immediate di auto-consumo, per poi restituirla all’utenza quando l’impianto solare è inattivo, ad esempio nei momenti di scarsa insolazione o nelle ore notturne, con l’unica differenza che tale tipologia di impianti risulta più semplice dal punto di vista gestionale, non dovendo il sistema di accumulo gestire la parte di produzione, di immissione e di switch nelle diverse condizioni che si possono verificare.
PRINCIPALI COMBINAZIONI ELETTRO-CHIMICHE PER L’ACCUMULO DI ENERGIA IN BATTERIA:
- Pb-H2SO4 Batterie al Piombo-acido e Piombo-gel
- Ni-Cd: Nichel-Cadmio
- Batterie al Litio
- Ni-NaCl Batterie Z.E.B.R.A.
- Ni-MH Batterie Nichel-idruri
- Ni-Zn Batterie Nichel-Zinco
- Zn-Br Batterie a flusso Zinco-Bromo
- Na-S Batterie Zolfo-Sodio
- VRB: Batterie a flusso Vanadio Redox
- PSB : Batteria a flusso Poli-Solfuro Bromuro
- Batterie Metallo-aria
ACCUMULI ELETTRICI
Nei supercondensatori o supercapacitori (sistemi di accumulo elettrico) il campo elettrico è immagazzinato tra elettrolita ed elettrodi. Dispongono anch’essi di elevata densità di potenza, ancora maggiore durata senza cali di rendimento, maggiore semplicità e reversibilità di immagazzinamento dell’energia.
Per contro dispongono di minore capacità accumulabile che è limitata e dipende dalla superficie di interfaccia elettrodo-elettrolita. Sono attualmente allo studio supercondensatori ai nanotubi di carbonio che hanno una densità di energia e di potenza elevata (rispettivamente 76 Wh/Kg e 506 kW/Kg), oltre venti volte maggiore rispetto ai supercondensatori tradizionali.
ACCUMULATORI O SUPERCONDENSATORI?
ACCUMULI MECCANICI
VOLANI
I volani ad asse verticale diventano sistemi di accumulo se posti in robusti contenitori di forma cilindrica nei quali viene mantenuto un certo grado di vuoto, ed attraverso l’utilizzo di un convertitore il rotore del volano cede energia alla rete sotto forma di corrente alternata ad alta frequenza variabile (a differenza degli impianti FV che producono corrente continua). Si tratta di sistemi adatti per potenze importanti, fino a 500 kW, ed utilizzabili in parallelo per potenze più elevate. I costi dei volani sono competitivi con quelli delle batterie se si considera la lunga vita e la minima manutenzione, sono caratterizzati da un’alta efficienza, da un’elevata durata (non risentono dei cicli di carica/scarica) e si possono ricaricare molto rapidamente.
ARIA COMPRESSA
Similmente all’idrogeno anche l’aria compressa diventa sistema di accumulo quanto si utilizzano compressori alimentati da energia elettrica a basso costo prodotta nelle ore notturne: l’aria compressa può essere accumulata in cavità sotterrane ermetiche, ad una pressione di 70-100 bar, e successivamente utilizzata in un tradizionale impianto a turbogas o per azionamenti pneumatici in linee di produzione. Si tratta di sistemi che raggiungono dai 2 ai 3 kWh/m³ di serbatoio (sotterraneo) contro ad esempio agli 0,3 kWh/m³ di un serbatoio idrico. Discorso diametralmente opposto invece si ha in termini di efficienza nella restituzione dell’energia immagazzinata, nettamente a favore dei sistemi idroelettrici a svantaggio dei sistemi ad aria.