Accumulo di energia solare per l’uso notturno

I moduli fotovoltaici generano elettricità quando è disponibile una radiazione solare sufficiente. Dopo il tramonto un campo fotovoltaico tradizionale smette di essere una fonte attiva, quindi i carichi notturni devono essere alimentati da un’altra fonte, come la rete elettrica, una batteria, un generatore o una combinazione di queste.

L’accumulo cambia il momento in cui l’energia generata dal sole può essere utilizzata, non il modo in cui i moduli la producono. Nei periodi in cui la produzione fotovoltaica supera la domanda immediata del sito, una parte dell’energia può essere inviata a una batteria, se l’architettura del sistema, le regole di esercizio e lo stato della batteria lo consentono. L’energia accumulata può poi essere erogata più tardi, quando la produzione fotovoltaica è ridotta o assente.

La questione progettuale importante non è quindi soltanto quanta elettricità produce il campo fotovoltaico durante il giorno. Il sistema deve considerare quando l’energia viene prodotta, quando viene consumata, quanta se ne può effettivamente accumulare e quali perdite si verificano tra la carica e l’uso successivo.

Inoltre, una batteria non è necessaria per ogni impianto fotovoltaico. I siti collegati alla rete possono consumare la produzione solare durante il giorno e prelevare elettricità dalla rete di notte, dove la connessione e le norme locali consentono questo modello di funzionamento.

Per un sito collegato alla rete, il consumo notturno può normalmente restare una questione di fornitura dalla rete, a meno che il proprietario non abbia un motivo per spostare energia tra fasce orarie o per mantenere alcuni carichi durante un’interruzione. Aggiungere batterie solo perché il sito ha un impianto fotovoltaico può comportare apparecchiature, sistemi di controllo, manutenzione, perdite di conversione e vincoli di esercizio che potrebbero non essere necessari per l’obiettivo reale.

Il punto di partenza deve essere il profilo di carico del sito. Un’abitazione con bassa domanda notturna pone un problema di accumulo diverso da quello di una struttura commerciale con refrigerazione, pompe, server, apparecchiature di processo o altri carichi che proseguono per tutta la notte. Il solo consumo energetico mensile non può descrivere queste differenze.

Conta anche la distribuzione temporale dei carichi. Due siti possono consumare lo stesso numero di kilowattora in un giorno e richiedere sistemi a batteria molto diversi, perché uno concentra la domanda in un breve periodo serale e l’altro ha un carico costante per tutta la notte.

Nell’analisi vanno incluse anche le condizioni di rete. Regole di prelievo e immissione, capacità di connessione disponibile, struttura tariffaria, modalità di misura e requisiti tecnici locali possono cambiare l’utilità operativa dell’accumulo. Queste questioni dipendono dalla giurisdizione e dal contratto elettrico effettivi, non da una regola universale sul solare con accumulo.

Prima di scegliere le apparecchiature, il gestore deve quindi distinguere tre domande: quanta energia serve di notte, quanta potenza istantanea deve essere fornita e se la rete resta disponibile in quel periodo.

Capacità e potenza di una batteria sono grandezze diverse. La capacità energetica si esprime normalmente in kilowattora e indica quanta energia può essere accumulata o erogata entro l’intervallo operativo utilizzabile. La potenza, espressa in kilowatt, indica con quale rapidità la batteria e la relativa elettronica di potenza possono fornire o assorbire energia.

Una batteria può quindi avere energia sufficiente per il fabbisogno notturno e non riuscire comunque a sostenere un grande carico istantaneo. È possibile anche il contrario: un sistema può erogare un’elevata potenza per breve tempo ma non avere energia utilizzabile sufficiente a coprire diverse ore di consumo.

La parte utilizzabile della capacità nominale dipende dal sistema di batterie, dai limiti operativi, dai controlli dello stato di carica, dalla temperatura, dallo stato di degrado e dalla profondità di scarica consentita. Per il prodotto effettivo vanno usate le informazioni del produttore, senza presumere che l’intera capacità di targa possa essere scaricata ogni notte.

Vanno considerate anche le perdite di conversione. Tra la generazione fotovoltaica e il carico finale in corrente alternata l’energia può attraversare caricatore, inverter, batteria, cablaggio e apparecchiature di controllo. L’energia recuperata di notte non sarà quindi identica a quella originariamente disponibile dal campo fotovoltaico.

Il profilo di carico di riferimento dovrebbe idealmente includere, oltre all’energia totale, anche i picchi di breve durata. Motori, pompe, impianti di climatizzazione o altri dispositivi possono generare condizioni di avviamento o di carichi simultanei che influiscono sui requisiti di potenza di inverter e batteria anche quando il loro consumo notturno complessivo è moderato.

Un calcolo utile dell’accumulo parte dai consumi misurati nel tempo. Dati orari o più fini possono mostrare come cambia la domanda dopo il tramonto, quando si verificano i carichi più elevati e quanta energia deve essere fornita prima che riprenda la produzione solare o torni disponibile la rete.

Va considerata anche la variazione stagionale. Le notti invernali possono essere più lunghe mentre la produzione fotovoltaica del giorno precedente può essere inferiore, e alcuni edifici hanno carichi di riscaldamento, raffrescamento, irrigazione o di processo che variano nel corso dell’anno. Una batteria dimensionata su un solo giorno favorevole potrebbe non comportarsi allo stesso modo in un’altra stagione.

Il progetto dipende inoltre dall’obiettivo. Spostamento dell’energia nel tempo, riduzione dei prelievi dalla rete in periodi selezionati, alimentazione di un carico isolato e backup in caso di interruzione sono requisiti diversi. Ciascuno può portare a una diversa progettazione di capacità, potenza, controllo e inverter, anche per lo stesso sito.

Il sovradimensionamento non è automaticamente più sicuro né più conveniente. Una capacità aggiuntiva può restare sottoutilizzata se l’impianto fotovoltaico non produce abbastanza energia in eccesso per caricarla o se il carico notturno del sito è ridotto. Allo stesso modo, un sottodimensionamento può lasciare parte del carico previsto dipendente da un’altra fonte.

Il calcolo deve quindi esplicitare le proprie ipotesi: carico previsto, capacità utilizzabile, perdite di conversione, opportunità di carica, condizioni ambientali, riserva operativa ed eventuale autonomia richiesta. Una singola taglia generica di batteria non può essere applicata a installazioni non confrontabili.

I sistemi fotovoltaici-termici, o PV/T, combinano la generazione di elettricità fotovoltaica con la raccolta di energia termica utile. A seconda del progetto, il calore può essere trasferito ad aria o a un liquido per applicazioni come il riscaldamento dell’acqua o altri carichi termici. La tecnologia sfrutta sia i flussi di energia elettrica sia quelli di energia termica della risorsa solare disponibile.

Il PV/T non va confuso con l’accumulo elettrico in batteria. Catturare calore durante il giorno non fornisce di per sé energia elettrica accumulata per i normali apparecchi notturni. Se i carichi elettrici devono funzionare dopo la fine della generazione solare, il sistema ha comunque bisogno di una fonte elettrica adeguata, come la rete, una batteria o un altro generatore.

L’accumulo termico può essere utile quando il fabbisogno notturno è esso stesso termico. L’acqua riscaldata o un altro mezzo termico possono talvolta essere conservati per un uso successivo, ma si tratta di un problema ingegneristico diverso dall’alimentare carichi elettrici con una batteria.

Altri approcci possono anche ridurre la quantità di accumulo elettrico necessaria. Alcuni carichi possono essere spostati alle ore diurne, controllati in funzione della produzione fotovoltaica disponibile o alimentati direttamente mentre il campo genera. La praticabilità dipende dal processo e dalle esigenze dell’utente.

Il progetto deve quindi partire dal servizio richiesto di notte. Energia elettrica, energia termica, backup senza interruzioni e semplice spostamento dei carichi non vanno considerati obiettivi intercambiabili.

Aggiungere una batteria non garantisce automaticamente a un edificio un’alimentazione ininterrotta durante un’interruzione di rete. Molti sistemi fotovoltaici e di accumulo collegati alla rete sono progettati per scollegarsi dalla fornitura quando necessario, e il funzionamento in backup dipende da inverter, apparecchiature di commutazione, controlli, configurazione dei carichi protetti e assetto complessivo del sistema.

Il progettista deve decidere quali carichi richiedono il backup. Alimentare illuminazione, comunicazioni o alcune apparecchiature critiche è diverso dal tentare di far funzionare l’intero sito. Potenza di picco, correnti di avviamento, durata prevista dell’interruzione ed energia accumulata disponibile influiscono tutte su questa decisione.

Conta anche la transizione alla modalità di backup. Alcune applicazioni tollerano una breve interruzione, altre richiedono un diverso requisito di continuità. Le apparecchiature scelte e l’architettura elettrica devono supportare il comportamento previsto, senza affidarsi alla sola presenza di una batteria.

La produzione fotovoltaica durante un’interruzione può talvolta contribuire con energia a un sistema di backup configurato correttamente, ma ciò dipende dall’architettura di inverter e accumulo. I moduli solari collegati a un sistema non garantiscono che la loro produzione resti disponibile quando la rete è fuori servizio.

Il backup va quindi specificato in modo indipendente dal normale spostamento notturno dell’energia. Un sistema può essere adatto a usare l’energia solare accumulata dopo il tramonto e al tempo stesso inadatto allo scenario di interruzione richiesto.

La scelta della batteria va basata su condizioni operative documentate, non su un semplice confronto dei kilowattora nominali. Profondità di scarica utilizzabile, potenza di carica e scarica, limiti di temperatura, comportamento ciclico, impostazioni di controllo, compatibilità con l’inverter e ambiente di installazione possono influire sul funzionamento pratico.

I termini di garanzia vanno letti direttamente nella documentazione del produttore o del fornitore per il sistema proposto. Possono includere condizioni operative, limiti di energia erogata, limiti di durata, requisiti di temperatura o altre disposizioni, e non vanno generalizzati tra tecnologie o marchi di batterie.

Contano anche le norme di rete locali. Requisiti di connessione, limiti di immissione, impostazioni di protezione, misura e iter di approvazione variano in base alla giurisdizione e al tipo di sistema. Una configurazione di accumulo tecnicamente possibile può comunque richiedere una diversa soluzione di connessione in un altro luogo.

Le ipotesi finanziarie richiedono la stessa cautela. Prezzi dell’elettricità, fasce tariffarie, utilizzo della batteria, carico futuro, degrado, manutenzione, finanziamento ed energia fotovoltaica in eccesso disponibile influenzano tutti il risultato economico. Senza questi dati non si può indicare in modo responsabile un tempo di ritorno fisso.

La pianificazione dell’accumulo deve quindi partire da carichi misurati e da un obiettivo operativo definito. La batteria è solo una parte del sistema: comportamento dell’inverter, connessione alla rete, logica di controllo, protezioni elettriche, condizioni ambientali e profilo di consumo effettivo determinano se il progetto proposto può soddisfare il fabbisogno notturno.