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Fotovoltaico,
accumulo di energia e
pompe di calore:
analisi e simulazioni
di utilizzo
Angelo Rivolta
Angelo Rivolta - Fotovoltaico, accumulo di energia e pompe di calore: analisi e simulazioni di utilizzo
Sommario
Introduzione ...................................................................................................................................................... 3
Fotovoltaico con accumulo: abbiamo sempre energia sufficiente per caricare le batterie? ............................ 5
Fotovoltaico con accumulo: è possibile l'autoconsumo totale? ..................................................................... 21
Fotovoltaico con accumulo: verifica dei dati simulati con dati reali ............................................................... 41
Ottimizzare l'autoconsumo fotovoltaico con le pompe di calore ................................................................... 48
Conclusioni ...................................................................................................................................................... 52
Angelo Rivolta - Fotovoltaico, accumulo di energia e pompe di calore: analisi e simulazioni di utilizzo
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Angelo Rivolta - Fotovoltaico, accumulo di energia e pompe di calore: analisi e simulazioni di utilizzo
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Introduzione
Il comportamento dei sistemi di accumulo abbinati a impianti fotovoltaici è ancora poco conosciuto,
dato che il mercato è in fase di partenza e i prodotti sono alla loro prima generazione.
Per questo motivo, le simulazioni tecniche, presupposto per ogni simulazione economica, sono
ancora molto approssimative e si basano su assunti semplicistici. Seguendo il dibattito su questi
temi sulle riviste specializzate, mi sono reso conto, ad esempio, che si tende a dare per certa la
disponibilità di energia sufficiente per caricare il blocco batterie in ogni giorno dell’anno, così come
la possibilità di raggiungere l’autoconsumo totale o l’indipendenza totale dalla rete elettrica.
Per vederci chiaro, data la disponibilità di dati orari reali di produzione e consumo di un impianto
residenziale esistente non dotato di accumulo, ho simulato il comportamento di un blocco batterie e
i benefici che se ne possono trarre.
La disponibilità di energia fotovoltaica suggerisce inoltre il passaggio a impianti di riscaldamento che
utilizzino energia elettrica, in particolare basati su pompe di calore. L’utilizzo di questi sistemi
raggiunge la massima economicità energetica se asservito alla produzione di energia fotovoltaica,
massimizzandone l’autoconsumo. La disponibilità dei dati di produzione fotovoltaica e di consumo
delle pompe di calore di un impianto reale ha consentito di misurare il comportamento del sistema e
di trarre delle conclusioni.
Angelo Rivolta - Fotovoltaico, accumulo di energia e pompe di calore: analisi e simulazioni di utilizzo
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Angelo Rivolta - Fotovoltaico, accumulo di energia e pompe di calore: analisi e simulazioni di utilizzo
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Fotovoltaico con accumulo: abbiamo sempre energia
sufficiente per caricare le batterie?
Articolo pubblicato sul numero di Ottobre 2014 di Solare B2B
Da quando sono disponibili sistemi di accumulo da abbinare ad impianti fotovoltaici residenziali, in
molti tra produttori e fan irriducibili delle energie rinnovabili ne decantano i vantaggi, ipotizzando
riduzioni quasi totali della bolletta elettrica.
Nelle simulazioni di questi impianti, si suppone frequentemente che un corretto dimensionamento
del sistema renda possibile la carica delle batterie in ogni giorno dell’anno, rendendo molto semplice
il calcolo. E’ una affermazione corretta? Ho voluto fare un po’ di analisi partendo dai dati di un
impianto fotovoltaico reale, privo per il momento di accumulo, con risultati molto interessanti al
riguardo.
Le prestazioni dell’impianto fotovoltaico
L’impianto è collocato a 30 km da Milano, ha una potenza di 5,8 kWp ed è composto da moduli
policristallini orientati a Sud e inclinati di circa 20°. I dati sono stati misurati nel periodo Agosto 2013
– Luglio 2014.
Per iniziare, alcuni grafici sui risultati dell’impianto. La Figura 1 mostra il dato di produzione mensile
reale (suddiviso tra immissione in rete ed autoconsumo), confrontato con la distribuzione attesa
fornita da un software di simulazione. I dati indicano una produzione superiore alle medie attese in
Primavera, un Inverno inferiore alle aspettative ed un Ottobre da dimenticare. Il bilancio complessivo
Angelo Rivolta - Fotovoltaico, accumulo di energia e pompe di calore: analisi e simulazioni di utilizzo
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è tuttavia buono, con una produzione annuale pari a 7.242 kWh ed una produzione specifica di 1.248
kWh per kWp installato, ben superiore al valore atteso.
Figura 1
Si nota che il mese con la maggiore produzione è Maggio, mentre Giugno e Luglio mostrano un
andamento decrescente, a causa principalmente dell’influenza negativa della temperatura
sull’efficienza dei moduli fotovoltaici.
La quota di energia immessa in rete è bassa nei mesi invernali, mentre da Marzo a Settembre è ben
superiore alla quota autoconsumata. Ciò è importante per la carica delle eventuali batterie o per altri
utilizzi. I dati annuali mostrano questa situazione:
• La quota autoconsumata è pari a 3.142,7 kWh (43,39%);
• La quota immessa in rete è pari a 4.099,7 kWh (56,61%).
La Figura 2 mostra i dati mensili relativi ai consumi, suddivisi in autoalimentazione e prelievo da rete.
Il prelievo dalla rete tende ovviamente a diminuire nei mesi a maggiore irraggiamento ed è massimo
nei mesi invernali, a causa soprattutto di un elevato consumo di energia serale.
Angelo Rivolta - Fotovoltaico, accumulo di energia e pompe di calore: analisi e simulazioni di utilizzo
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Figura 2
I dati annuali sono i seguenti:
• L’abitazione ha consumato 6.894,3 kWh;
• La quota autoalimentata è pari a 3.142,7 kWh (45,58%);
• La quota prelevata dalla rete è pari a 3.751,6 kWh (54,42%).
Il dato annuale relativo ai consumi, apparentemente elevato, risente dell’effetto positivo di un gestore
di carichi intelligente. In presenza di energia fotovoltaica disponibile nella stagione invernale, il
dispositivo attiva una pompa di calore in riscaldamento, abbattendo la spesa per l’acquisto di gas
metano. Sempre per massimizzare l’autoconsumo, viene utilizzata una piastra ad induzione anziché
il fornello a gas, quando l’energia a disposizione lo consente. L’impianto è a grandi linee ben
dimensionato rispetto ai consumi, come indica il rapporto tra energia totale prodotta e consumata,
vicino all’unità. I dati relativi alla quota di autoconsumo (43,39%) e di autoalimentazione (45,58 %)
sono anch’essi di buon livello, tenendo conto che difficilmente in una abitazione utilizzata
intensivamente e con un profilo “normale” di consumo orario si possono ottenere risultati migliori.
Un’analisi dei dati a livello giornaliero anziché mensile indica tuttavia una realtà diversa. La Figura 3
mostra di nuovo i valori di produzione suddivisi tra energia immessa in rete ed autoconsumata, con
uno sviluppo questa volta molto frastagliato. Il dato importante ai fini dell’analisi è l’energia
giornaliera immessa in rete, che in un impianto con accumulo viene destinata alla carica.
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Figura 3
Ovviamente, l’energia immessa in rete dipende anche dal profilo di autoconsumo: una maggiore
concentrazione di consumi in fascia diurna riduce la quantità di energia disponibile per altri utilizzi.
E’ comunque consigliabile utilizzare tutta l’energia possibile in fascia diurna per l’autoconsumo
diretto, da cui deriva l’importanza dell’utilizzo di un gestore intelligente di carichi. Evitare di spostare
i consumi in fascia diurna allo scopo di massimizzare l’energia disponibile per la carica delle batterie
non è una strategia efficiente. Infatti, mentre l’utilizzo diretto dell’energia autoprodotta ha basse
perdite di trasformazione (i migliori inverter residenziali hanno efficienza superiore al 97%),
l’accumulo e il successivo utilizzo dell’energia elettrica introducono sensibili perdite, a causa delle
due fasi necessarie (carica della batteria e successiva scarica, con trasformazione in 220 V
alternata). E’ sempre meglio utilizzare direttamente la preziosa energia autoprodotta.
Per gli stessi motivi di efficienza, sono da preferire i sistemi che caricano le batterie nella sezione in
CC dell’inverter e non nella sezione in CA. La carica delle batterie partendo dalla corrente alternata
(soluzione utilizzata nei dispositivi di tipo “retrofit”) introduce infatti ulteriori perdite di efficienza a
causa della necessaria trasformazione iniziale in CC. Non si conoscono al momento dati riguardanti
la perdita totale di efficienza di un ciclo carica/scarica nei due casi (partenza da CC o da CA). Alcune
indicazioni raccolte indicano perdite doppie nel caso di partenza da CA, con valori anche superiori
al 15%. Sarebbe interessante avere informazioni di confronto dai produttori di sistemi di accumulo.
Tornando al grafico, colpisce la elevata variabilità della produzione fotovoltaica anche tra giorni
adiacenti, con valori compresi ad esempio tra 9 kWh e 40 kWh nel mese di Giugno e tra 0 kWh e 15
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kWh nel mese di Dicembre. Proprio questa variabilità è il nocciolo del problema relativo alla carica
delle batterie.
L’immissione in rete giornaliera nel corso dell’anno ha registrato valori compresi tra 0 (per 24 volte,
nel periodo Ottobre - Febbraio) e 30,5 kWh. E’ possibile notare che vi sono stati numerosi giorni nel
corso dell’anno in cui il sistema ha immesso in rete una quantità di energia inferiore a 3 kWh e non
sarebbe quindi stato in grado di caricare un blocco batterie di tale capacità (sufficiente appena a
coprire i consumi serali di una famiglia di 4 persone). Il fenomeno diventa evidente nella Figura 4,
dove i dati di produzione giornaliera sono stati ordinati per quantità crescente di energia immessa in
rete. Per facilità di lettura, sono mostrati solo i primi 120 giorni della serie.
Figura 4
Il grafico mostra chiaramente che:
• 111 giorni hanno avuto immissione in rete inferiore a 4 kWh;
• 90 giorni hanno avuto immissione in rete inferiore a 3 kWh;
• 75 giorni hanno avuto immissione in rete inferiore a 2 kWh;
• 62 giorni hanno avuto immissione in rete inferiore a 1 kWh.
Un eventuale sistema di accumulo con capacità di 3 kWh non avrebbe quindi completato il ciclo di
carica per 90 dei 365 giorni dell’anno. Se il sistema avesse avuto una capacità di 2 kWh, i giorni con
carica non completa sarebbero stati 75. Tutto questo con una potenza installata di 5,8 kWp: se
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l’impianto fotovoltaico fosse stato di soli 3 kWp, i giorni con energia insufficiente per la carica di un
blocco batterie da 3 kWh sarebbero stati 160.
Questo è un primo risultato da tenere in considerazione nel dimensionamento dell’impianto: non
sempre l’energia disponibile è sufficiente a caricare totalmente le batterie. In linea di massima, per
minimizzare i rischi di scarso utilizzo, è consigliabile sovradimensionare la potenza dei pannelli
fotovoltaici rispetto alla capacità delle batterie.
Nelle simulazioni di un impianto dotato di accumulo, è necessario quindi introdurre una correzione
che tiene conto della variabilità dell’energia disponibile. Questa correzione può essere calcolata, ad
esempio, partendo dal dato di produzione media giornaliera della località e introducendo una
variazione stagionale, a cui si aggiunge una variazione giornaliera. L’aggiunta di un consumo medio,
suddiviso opportunamente in diurno e serale-notturno, consente poi di stimare tutti gli altri parametri.
La simulazione di un sistema con accumulo
Facciamo quindi un passo avanti: la disponibilità dei dati statistici ha reso possibile lo sviluppo di un
foglio di calcolo che simula la produzione giornaliera nella sua variabilità, con risultati praticamente
identici ai dati storici. Rispetto ai simulatori di impianto reperibili sul mercato, con questo strumento
è possibile avere una stima più accurata del comportamento del blocco batterie e giungere ad una
stima di produzione, utilizzo e rientro finanziario più accurata.
Per poter procedere, dobbiamo aggiungere il profilo dei consumi, dei quali viene mostrato lo sviluppo
giornaliero in Figura 5. Ai fini dei calcoli sui benefici di un eventuale sistema di accumulo, è
necessario aggiungere un’indicazione dell’energia consumata nelle ore serali e notturne. Si potrebbe
anche qui fare un’analisi puntuale, vista la disponibilità di dati orari per ogni giorno, ma uno sguardo
al grafico fornisce già una risposta soddisfacente: nelle due settimane centrali di Agosto, l’abitazione
in stand-by ha continuato a consumare circa 10 kWh/giorno, con autoalimentazione di circa 6 kWh
e con un prelievo dalla rete di circa 4 kWh.
Angelo Rivolta - Fotovoltaico, accumulo di energia e pompe di calore: analisi e simulazioni di utilizzo
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Figura 5
Data l’ampia disponibilità di energia fotovoltaica nel periodo in questione (da 20 a 30 kWh/giorno,
con profilo orario privo di disturbi), il prelievo dalla rete è avvenuto quindi esclusivamente in ore serali
e notturne. Il profilo di consumo di un giorno di questo periodo conferma l’ipotesi, in Figura 6.
Angelo Rivolta - Fotovoltaico, accumulo di energia e pompe di calore: analisi e simulazioni di utilizzo
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Figura 6
Il picco di consumi tra le 10:00 e 12:00 è dovuto alla pompa dell’impianto di irrigazione, che
ovviamente funziona solo in presenza di energia fotovoltaica disponibile. Escluso questo carico,
abbiamo un consumo medio dell’abitazione di 330 W/h in condizioni di stand-by, ovvero quasi 4 kWh
di prelievo dalla rete tra le ore 19:30 e le ore 7:30.
Soffermandoci brevemente su questo punto, emerge chiaramente come la disponibilità di dati
puntuali sia la base per qualsiasi intervento di miglioramento energetico. Il consumo notturno
dell’abitazione, in particolare, è stato considerato elevato e sono stati successivamente posti in
essere alcuni interventi per una sua riduzione da circa 4 a 3 kWh.
Tornando al profilo di consumo rappresentato nel grafico, si può quindi affermare che il fabbisogno
giornaliero dell’abitazione nelle ore prive di energia fotovoltaica è di almeno 4 kWh e ciò significa
che qualsiasi sistema di accumulo con capacità fino a 4 kWh può recare beneficio senza timore di
sovradimensionamento. Il problema è capire se il sistema fotovoltaico sarà in grado di sostenere sia
l’autoconsumo (prioritario) sia la carica delle batterie del sistema desiderato.
Facciamo ora riferimento ad un blocco batterie reale al Pb-Gel (le batterie agli ioni di Litio costano
al momento decisamente troppo e non sono ancora ben distribuite in Italia), prodotto da una azienda
specializzata in storage fotovoltaico, composto da 4 batterie da 6 V con capacità 308 Ah (C, ovvero
misurata su una scarica di 10 ore) collegate in serie per fornire 24 Volt. La capacità di accumulo
massima è pari quindi a 7,392 kWh.
Figura 7
Angelo Rivolta - Fotovoltaico, accumulo di energia e pompe di calore: analisi e simulazioni di utilizzo
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La vita stimata delle batterie è funzione della profondità di scarica (DoD) e il produttore dichiara in
questo caso una vita utile pari a:
• Circa 3.300 cicli con DoD pari a 40% (9 anni stimando 1 ciclo di carica al giorno);
• Circa 2.600 cicli con DoD pari a 50% (7 anni stimando 1 ciclo di carica al giorno).
Volendo massimizzare la durata nel tempo, scegliamo una profondità di scarica pari a 40%, con
3.300 cicli a disposizione e una quantità di energia utile per ogni ciclo pari a 2,957 kWh.
Ora aggiungiamo l’accumulo virtuale all’impianto e simuliamone il funzionamento nel periodo Agosto
2013 - Luglio 2014 nella Figura 7. Data la mancanza di dati sulle perdite di efficienza della carica e
scarica delle batterie, supponiamo di avere un processo efficiente, senza perdite.
Questo grafico ci permette di osservare che, nel corso dell’anno, vi sono numerose giornate in cui
le batterie si caricano solo parzialmente. Per analizzare meglio il fenomeno, in Figura 8, i dati sono
ordinati per quantità crescente di energia immagazzinata e per semplicità di lettura sono mostrati
solo i primi 120 giorni della serie.
Figura 8
I giorni con carica inferiore al 100% (2,957 kWh) sono 89, di cui 24 con carica pari a zero. Ben 66
sono i giorni con carica inferiore a 1,5 kWh, valore pari alla metà dell’energia immagazzinabile.
Queste ultime cariche sarebbero da evitare, in quanto sprecano un prezioso ciclo per rendere
disponibile meno della metà dell’energia utile. Il tema delle cariche parziali e della loro limitazione
potrebbe essere un argomento di differenziazione dei prodotti più validi sul mercato. Un buon
Angelo Rivolta - Fotovoltaico, accumulo di energia e pompe di calore: analisi e simulazioni di utilizzo
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sistema di battery management potrebbe cioè adottare una serie di accorgimenti per minimizzare
questo fenomeno, dannoso per la durata delle batterie.
Il profilo mensile della produzione cambia come indicato dalla Figura 9. Confrontandola con la Figura
1, è possibile vedere la quota di energia immessa in rete che è stata “trasformata” in autoconsumo,
grazie alla presenza delle batterie. La quantità di energia aggiuntiva messa a disposizione delle
utenze come autoconsumo è notevole, anche se, come si vedrà tra poco, non basta ad eliminare il
prelievo dalla rete. I mesi di Gennaio e Febbraio mostrano una quantità di energia immagazzinata
nettamente inferiore agli altri mesi, il che fa sorgere qualche dubbio sull’effettivo sfruttamento
completo del sistema in questo periodo. Più avanti vedremo alcune considerazioni aggiuntive circa
l’utilizzo invernale di un sistema di accumulo.
Figura 9
In Figura 10 è mostrato l’effetto sul lato consumo. Rispetto alla figura 2, è possibile osservare una
sensibile diminuzione dell’energia prelevata dalla rete. L’energia immagazzinata nelle batterie è da
intendersi come autoalimentazione aggiuntiva. Tuttavia, la limitata capacità dell’accumulo in alcuni
giorni e l’insufficiente energia di carica in altri, impedisce l’azzeramento totale del prelievo da rete.
Appare evidente come corrisponda al vero la regola numero uno di ogni intervento di miglioramento
energetico: la riduzione dei consumi è l’operazione prioritaria per poter raggiungere i migliori risultati
e per massimizzare l’effetto dell’investimento. Infatti, anche incrementando la capacità del blocco
batterie, non si risolverebbe totalmente il problema, a causa dell’aumentare del numero dei giorni
Angelo Rivolta - Fotovoltaico, accumulo di energia e pompe di calore: analisi e simulazioni di utilizzo
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con insufficiente energia disponibile per la carica totale. Senza un intervento significativo sul lato
consumi, è difficile migliorare in modo sensibile (o conveniente) i risultati.
Figura 10
Come cambia il profilo giornaliero di produzione e consumi? In Figura 11 è mostrata la simulazione
dello stesso giorno già visto in Figura 6, con l’aggiunta delle batterie.
Le batterie vengono caricate nell’orario compreso tra le 7:45 e le 10:30 e forniscono una copertura
dei consumi dalle ore 19:00 fino alle ore 4:00 del mattino, evitando il prelievo da rete. Come è
possibile osservare, è stata introdotta nella simulazione una limitazione della corrente di carica, che
contribuisce ad aumentare la durata delle batterie. Per lo stesso motivo, il simulatore prevede una
limitazione anche della corrente di scarica, non visibile nel grafico a causa del limitato wattaggio
richiesto alla batteria nel giorno considerato.
Complessivamente, l’effetto delle batterie nella simulazione è così riassumibile:
• L’energia utile immagazzinata ed utilizzata in un anno è pari a 882,30 kWh, pari all’’82% del
massimo teorico di 1079,35 kWh (365 gg x 2,97 kWh di capacità) a causa dei giorni a carica
parziale o nulla;
• L’autoconsumo è salito da 43,39% a 55,58%;
• L’autoalimentazione è salita da 45,58% a 58,38%.
Angelo Rivolta - Fotovoltaico, accumulo di energia e pompe di calore: analisi e simulazioni di utilizzo
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L’introduzione simulata di un accumulo di energia elettrica nell’impianto ha avuto effetti senz’altro
benefici, anche se gli effetti sono molto più “realistici” rispetto all’autoconsumo quasi totale dichiarato
dai più ottimisti.
Figura 11
Il foglio di calcolo ha permesso anche di stimare l’effetto di un blocco batterie di capacità doppia,
tenendo conto delle maggiori giornate a carica parziale e delle giornate in cui l’abitazione non riesce
a sfruttare pienamente la carica a disposizione. Il risultato è un aumento dell’autoconsumo a 67%,
con costi delle batterie che raggiungono però un valore quasi pari al resto dell’impianto fotovoltaico,
fatto che rende poco sensata l’operazione. Una diminuzione del costo delle batterie dedicate allo
storage fotovoltaico aprirebbe decisamente scenari molto interessanti.
Lo spegnimento invernale
Un ulteriore argomento che la simulazione ci permette di analizzare riguarda la convenienza a
“spegnere” la funzione caricabatteria nei giorni invernali, come suggerito da alcuni produttori.
Dato che un ciclo parziale di carica vale comunque come un ciclo in meno nella durata della batteria,
i sistemi più evoluti sono dotati di una apposita regolazione, che esclude il caricamento della batteria
nei mesi a minore irraggiamento. Ciò consente di recuperare cicli di carica nelle stagioni ad
irraggiamento più elevato.
Angelo Rivolta - Fotovoltaico, accumulo di energia e pompe di calore: analisi e simulazioni di utilizzo
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In altre parole, il numero di cicli nella vita utile della batteria rimane lo stesso ma si migliora la qualità
dei cicli stessi, riducendo il numero di cicli a carica parziale ed aumentando la quantità di energia
che il blocco batterie fornisce complessivamente.
Nella Figura 12 è mostrato il dettaglio di immissione e autoconsumo dei due mesi più rigidi, Dicembre
e Gennaio, nei quali è consigliata la disattivazione della funzione caricabatteria. I dati sono stati
ordinati per immissione in rete crescente.
Figura 12
E’ possibile notare che, in questi due mesi:
• 33 giorni hanno avuto immissione in rete inferiore a 3 kWh;
• 28 giorni hanno avuto immissione in rete inferiore a 2 kWh;
• 27 giorni hanno avuto immissione in rete inferiore a 1 kWh;
• 16 giorni hanno avuto immissione in rete pari a 0 kWh.
Con un accumulo da 3 kWh di capacità, mantenere in funzione l’impianto avrebbe significato “buttare
via” 17 cicli di carica, ovvero 33 meno i 16 giorni in cui l’energia disponibile è stata pari a zero ed il
ciclo di carica non sarebbe comunque partito.
Potrebbe essere forse più conveniente disattivare la funzione di carica in Novembre e in Febbraio,
dove è più elevata la probabilità di avere energia disponibile maggiore di zero ma in quantità inferiore
alla capacità delle batterie. I dati, ricavati con la stessa procedura, indicano che in questi due mesi:
Angelo Rivolta - Fotovoltaico, accumulo di energia e pompe di calore: analisi e simulazioni di utilizzo
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• 28 giorni hanno avuto immissione in rete inferiore a 3 kWh;
• 27 giorni hanno avuto immissione in rete inferiore a 2 kWh;
• 22 giorni hanno avuto immissione in rete inferiore a 1 kWh;
• 7 giorni hanno avuto immissione in rete pari a 0 kWh.
Con un accumulo da 3 kWh, disattivare la funzione di carica avrebbe in questo caso permesso di
recuperare 21 cicli (28 – 7), con un risultato leggermente migliorativo rispetto al caso precedente.
Secondo i dati a disposizione, per eliminare totalmente il fenomeno, sarebbe quindi necessario
disattivare la funzione di carica da Novembre a Febbraio. Questi dati di produzione sono tuttavia
basati su osservazioni relative a soli quattro mesi di un singolo anno. Salvo ulteriori indicazioni con
base statistica più ampia, credo che la scelta più saggia sia quella di disattivare la funzione in
Dicembre e Gennaio.
C’è un altro motivo per cui i giorni invernali possono essere dannosi per le batterie. In Figura 13 è
mostrato il profilo giornaliero del giorno 12 Gennaio 2014, con simulazione delle batterie.
Figura 13
In questo caso le batterie iniziano a fornire energia dalle 15:00, quando i consumi iniziano a superare
l’energia fotovoltaica prodotta, esaurendosi già alle 19:00, a causa dell’elevato consumo invernale
di energia elettrica. E’ possibile notare l’intervento del limitatore tra le 17:45 e le 18:45, che regola
l’energia massima prelevabile dalle batterie per prolungarne la durata. Ancora una volta, appare
evidente il beneficio che potrebbe dare un intervento di riduzione dei consumi, come la sostituzione
Angelo Rivolta - Fotovoltaico, accumulo di energia e pompe di calore: analisi e simulazioni di utilizzo
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delle lampadine alogene (ce n’è almeno una da 200 W in ogni lampada “di design”) con lampadine
LED. Dopo tanta fatica per immagazzinare energia, perché buttarla con un sistema di illuminazione
poco efficiente?
Continuando l’analisi del grafico, ci sono due episodi interessanti in cui le batterie intervengono per
sopperire a picchi di consumo con valori superiori all’energia fotovoltaica disponibile, alle 11:30 e
alle 14:15, con implicazioni sul ciclo di carica.
Quello che viene mostrato è, dal punto di vista delle batterie, la… tempesta perfetta. Infatti, il
particolare profilo del consumo, legato ad una bassa produzione, fa compiere tre cicli di
scarica/scarica nello stesso giorno, il primo dal 40% al 54%, l’altro dal 45% al 100% e il terzo dal 90
al 100% della capacità utile. In un solo giorno le batterie hanno perso tre cicli, che avrebbero potuto
rendere di più in giornate estive. Ovviamente, i prodotti più evoluti potrebbero avere una logica
interna che impedisce la carica se il livello della batteria non è sceso al DoD desiderato oppure che
impedisce la scarica se il livello della batteria non ha raggiunto il 100%. In ogni caso, la gestione
delle fasi del ciclo di carica è un argomento complesso ed un commento da parte dei produttori
potrebbe chiarire questo punto, molto importante per la vita delle batterie.
Queste osservazioni, insieme alle precedenti, spingono verso una disattivazione prudenziale della
funzione di carica nei due mesi più rigidi. Nel caso considerato, la disattivazione per due mesi
all’anno porta la vita utile del blocco batterie oltre i fatidici 10 anni, rendendola simile a quella di molti
inverter in commercio. Dato il costo delle batterie, è importante prendere tutti gli accorgimenti per
farle durare il più a lungo possibile.
Conclusioni
L’analisi ha mostrato innanzitutto l’importanza della disponibilità di dati puntuali di consumo come
base per ogni intervento ed investimento di miglioramento energetico. A seguito della fase
conoscitiva, è necessario innanzitutto intervenire per ridurre i consumi dove possibile. Un
investimento per la produzione di energia supplementare non ha senso se l’abitazione spreca
preziosa energia in consumi inconsapevoli, inutili o indesiderati.
Detto ciò, la progettazione di un sistema fotovoltaico dotato di accumulo deve tener conto di alcune
considerazioni aggiuntive rispetto ad un impianto tradizionale:
• Alcuni fattori si influenzano in modo inversamente proporzionale (autoconsumo diretto ed
energia disponibile per la carica) ma è comunque conveniente massimizzare l’autoconsumo
diretto e considerarlo prioritario;
• Il dimensionamento della potenza dei moduli fotovoltaici deve tener conto di un
sovradimensionamento, per ottenere una maggiore probabilità di carica totale;
Angelo Rivolta - Fotovoltaico, accumulo di energia e pompe di calore: analisi e simulazioni di utilizzo
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• I sistemi di simulazione devono tener conto delle giornate a carica parziale o nulla, altrimenti
i dati non sono sufficientemente realistici;
• La strategia di utilizzo deve comprendere uno stop all’uso delle batterie nei mesi invernali,
per evitare il più possibile i cicli a carica parziale e massimizzare l’investimento in batterie.
Inoltre, allo stato attuale, non vi sono dati su alcuni fattori importanti per le simulazioni, quali:
• La perdita totale di energia nel ciclo di carica/scarica delle batterie;
• La differenza in perdita di energia tra carica da CA e carica da CC;
• La logica con cui si susseguono o meno cicli di carica/scarica nella stessa giornata.
Sarebbe utile un contributo di opinioni (o, meglio, di fatti) al riguardo da parte di progettisti e di
produttori di sistemi.
Angelo Rivolta - Fotovoltaico, accumulo di energia e pompe di calore: analisi e simulazioni di utilizzo
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Fotovoltaico con accumulo: è possibile
l'autoconsumo totale?
Articolo pubblicato sul numero di Gennaio-Febbraio 2015 di Solare B2B
L’analisi dei sistemi di storage continua con un approfondimento sull’autoconsumo totale nei sistemi
di tipo UPS e in parallelo.
L’utilizzo di un sistema fotovoltaico con accumulo permette di incrementare notevolmente la
percentuale di energia rinnovabile consumata dall’abitazione, valorizzandola al massimo.
La percentuale di aumento rispetto ad un normale sistema privo di batterie dipende da alcuni fattori,
tra cui soprattutto il dimensionamento del blocco batterie in relazione ai consumi.
E’ possibile ottenere l’autoconsumo totale? E a quali condizioni? L’analisi sui dati di produzione e
consumo di un impianto reale ha fornito indicazioni operative molto interessanti al riguardo.
I dati sono relativi ad un impianto alle porte di Milano, con 5,8 kWp di moduli policristallini orientati a
Sud e inclinati di circa 20°. Il periodo considerato è compreso tra Agosto 2013 e Luglio 2014.
Nell’analisi è stato calcolato l’effetto sia sull’autoconsumo (percentuale di energia fotovoltaica
utilizzata), sia sull’autoalimentazione (percentuale dei consumi coperta da energia fotovoltaica).
Quest’ultimo indice fornisce l’informazione più importante per il cliente, in quanto esprime l’effetto
dell’impianto sulla riduzione della bolletta elettrica. Per questo motivo, la domanda iniziale dovrebbe
essere riferita all’autoalimentazione.
Angelo Rivolta - Fotovoltaico, accumulo di energia e pompe di calore: analisi e simulazioni di utilizzo
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Connesso come un UPS o in parallelo?
Sul mercato esistono due grandi famiglie di prodotti storage: i sistemi che funzionano con la logica
UPS e i sistemi con batterie in parallelo alla rete domestica. Prima di affrontare il tema principale è
necessario evidenziare le differenze di funzionamento delle due tipologie, perché ciò influisce, come
vedremo, sulle prestazioni e sulle indicazioni d’utilizzo.
I prodotti di tipo UPS sono stati i primi sul mercato, perché adottano una tecnologia già consolidata
e derivante dai prodotti dedicati principalmente al mondo dell’informatica. Il principio
dell’applicazione di un UPS ad uso fotovoltaico è semplice: le batterie vengono caricate solo con
energia proveniente dai moduli fotovoltaici. L’abitazione, in questa fase, è scollegata dal sistema di
accumulo ed è connessa normalmente alla rete elettrica. Quando le batterie sono cariche, un
commutatore scollega l’abitazione dalla rete e la collega al sistema. Da questo momento in poi,
l’abitazione viene alimentata dall’energia fotovoltaica diretta e, se non è sufficiente, dalle batterie,
fino al loro esaurimento. Al raggiungimento del limite inferiore di carica, il commutatore riconnette
l’abitazione alla rete elettrica ed il ciclo riparte.
I dispositivi fotovoltaici di tipo UPS, quindi, non sono mai connessi alla rete: è l’abitazione che viene
connessa alternativamente alla rete o al sistema di accumulo. Dal punto di vista della rete, il
dispositivo è quindi inesistente e non deve quindi essere conforme alle specifiche di sicurezza
relative agli inverter grid connected. Per questo motivo, possono essere installati senza richieste ed
autorizzazioni del gestore della rete. Dato che non si può parlare di scambio sul posto, non vi è
coinvolgimento nemmeno del GSE. Questi dispositivi sono preferiti da coloro che vogliono essere
totalmente indipendenti, anche da un punto di vista burocratico. I produttori di questi sistemi ne
evidenziano la semplicità di funzionamento e la capacità di aumentare drasticamente
l’autoconsumo.
Di concezione più recente, i sistemi di accumulo con batterie in parallelo non hanno alcun
commutatore tra alimentazione da inverter e alimentazione da rete elettrica. Le tre fonti di
alimentazione (moduli fotovoltaici, batterie e rete elettrica) sono contemporaneamente connesse
all’abitazione attraverso il dispositivo e un’apposita logica interna permette di gestire i flussi di
energia, secondo le priorità definite e facendo intervenire la rete solo quando l’autoalimentazione
non è possibile. La complessità progettuale di questi prodotti è in genere più elevata e richiede
competenze tecniche altrettanto elevate.
I sistemi in parallelo, a differenza di quelli di tipo UPS, sono quindi sempre connessi alla rete. Appositi
sensori impediscono che l’energia proveniente dalle batterie sia immessa in rete e che l’energia
proveniente dalla rete sia utilizzata per caricare le batterie. Dato che le batterie vengono gestite nella
sezione CC degli inverter, la rete non le “vede” direttamente e il dispositivo si comporta come un
Angelo Rivolta - Fotovoltaico, accumulo di energia e pompe di calore: analisi e simulazioni di utilizzo
23
normale inverter fotovoltaico. L’installazione è quindi sottoposta alle consuete norme di sicurezza
degli inverter connessi alla rete, come la norma italiana CEI 0-21. Oltre a ciò, è necessario richiedere
lo scambio sul posto al GSE, per valorizzare l’energia immessa in rete. Questi dispositivi sono scelti
da coloro che vogliono massimizzare il ritorno economico dell’impianto, migliorandone le prestazioni
e beneficiando dello scambio sul posto. Secondo i produttori di questi sistemi, si ottiene un migliore
sfruttamento dell’energia fotovoltaica, minimizzandone le perdite e immettendo in rete il surplus
Figura 1
In Figura 1 vengono mostrati gli schemi di collegamento di un sistema tipo UPS e di un sistema in
parallelo. Si nota, nel caso dell’UPS, la presenza del commutatore tra alimentazione da rete o
alimentazione da inverter. Nel sistema in parallelo è invece presente un sensore che indica
all’inverter la quantità di energia immessa in rete, in modo da regolare i flussi dai moduli fotovoltaici
e dalle batterie e impedire flussi indesiderati, come quello da batteria a rete.
I due sistemi hanno vantaggi e svantaggi, che ne possono consigliare l’uso in condizioni specifiche.
La differenza fondamentale, da un punto di vista logico, è la priorità dell’alimentazione proveniente
dai moduli fotovoltaici. Nei sistemi di tipo UPS, la priorità di alimentazione è verso l’accumulo. Solo
quando le batterie sono cariche, il sistema viene connesso all’abitazione. Nei sistemi in parallelo, la
priorità è invece verso l’abitazione. Solo in presenza di un surplus, l’energia viene utilizzata per
caricare le batterie.
La differenza tra i due sistemi si manifesta quindi soprattutto nelle fasi iniziali del ciclo di
funzionamento, quando la batteria è in carica. Durante l’utilizzo della batteria, i due sistemi si
comportano in modo simile, con due uniche differenze: la gestione dell’energia in surplus e la
gestione di eventuali picchi di assorbimento. Più avanti analizzeremo queste particolarità.
Nella simulazione mostrata in Figura 2, possiamo osservare il comportamento di carica di un sistema
di tipo UPS con capacità utile di 3 kWh, applicato all’impianto da 5,8 kWp sui dati di produzione e
Angelo Rivolta - Fotovoltaico, accumulo di energia e pompe di calore: analisi e simulazioni di utilizzo
24
consumo dei giorni 1 e 2 Aprile 2014. Il diagramma orario inizia alle ore 7:30, per maggiore
comprensione: in questo modo si può vedere fino a quando prosegue il supporto della batteria nella
notte. Non sono state inserite limitazioni nella corrente di carica-scarica né perdite di trasformazione.
In queste simulazioni, si suppone infine che la batteria inizi ad erogare energia solamente dopo la
carica completa e che, una volta iniziata, sia libera di scaricarsi e caricarsi parzialmente, fino
all’esaurimento totale della capacità utile. Più avanti vedremo gli effetti di limitazioni e perdite di
energia.
Figura 2
Possiamo notare innanzitutto il profilo di produzione, descritto dalla linea verde, che indica due
giornate tipiche di Aprile con picchi di produzione di 4,7 kW e di 3,8 kW. Riguardo all’utilizzo
dell’energia prodotta, all’inizio delle giornate tutta l’energia fotovoltaica viene inviata alle batterie, che
si caricano rapidamente, come indicato dalla linea tratteggiata rossa. Da questo momento in poi, il
commutatore scollega l’abitazione dalla rete e la collega al sistema, con batteria a disposizione per
integrare la produzione di energia fotovoltaica e soddisfare i consumi. In seguito, al calare della
produzione, la batteria si esaurisce fino ad arrivare a zero intorno le 23:00.
Se ora osserviamo lo stesso tipo di grafico, riferito questa volta ad un sistema con accumulo in
parallelo, notiamo un andamento molto diverso nella parte iniziale della giornata, nella Figura 3.
E’ evidente come l’energia prodotta ad inizio giornata sia destinata in questo caso ai consumi
dell’abitazione. Solo in seguito la parte in surplus (oltre la linea arancio dei consumi) viene destinata
alla carica delle batterie. L’accumulo si carica con un andamento diverso, raccogliendo solo l’energia
Angelo Rivolta - Fotovoltaico, accumulo di energia e pompe di calore: analisi e simulazioni di utilizzo
25
non utilizzata, mentre la scarica avviene nello stesso orario. Il grafico mostra anche un diverso
utilizzo dell’energia fotovoltaica in surplus dopo la carica della batteria, indicata con le barre bianche.
Nel caso di un sistema in parallelo, questa energia viene immessa in rete.
Figura 3
Osserviamo ora gli effetti di queste due modalità di carica, rappresentando il comportamento dei due
impianti dal punto di vista dell’autoalimentazione. In Figura 4 è riportata la simulazione dell’impianto
con accumulo di tipo UPS.
E’ possibile notare che l’abitazione viene alimentata dalla rete anche quando inizia la produzione
fotovoltaica, fino a quando le batterie sono cariche. A batterie cariche, il commutatore connette
l’abitazione al sistema e i consumi vengono alimentati da energia fotovoltaica. Le batterie
intervengono ad integrazione, fino al loro esaurimento e alla conseguente riconnessione
dell’abitazione alla rete elettrica. Il calcolo dell’energia prodotta e consumata evidenzia che, rispetto
ad una situazione senza accumulo, l’autoconsumo è passato da 47,74% a 54,46%, mentre
l’autoalimentazione è passata da 63,33% a 72,25%.
Per poter stimare l’autoconsumo, è necessario considerare che, a batterie cariche, il sistema UPS
produce energia in surplus che non può essere immessa in rete, perché è disconnesso. Questa
energia deve essere gestita, probabilmente con uno spostamento del punto di lavoro MPPT che
riduca la produzione ed azzeri il surplus. In questo senso, l’autoconsumo raggiunge il 100%. Per
calcolare l’autoconsumo dei sistemi UPS e consentire un confronto, verrà utilizzata quindi l’energia
teoricamente producibile nei giorni considerati.
Angelo Rivolta - Fotovoltaico, accumulo di energia e pompe di calore: analisi e simulazioni di utilizzo
26
Figura 4
A parità di condizioni, il sistema ad accumulo in parallelo mostra un andamento diverso, in Figura 5.
Figura 5
Angelo Rivolta - Fotovoltaico, accumulo di energia e pompe di calore: analisi e simulazioni di utilizzo
27
In questo caso l’abitazione è connessa al sistema da subito ed è possibile notare che l’energia
fotovoltaica è dedicata come priorità all’autoconsumo. In seguito, l’energia prodotta è sufficiente sia
per alimentare l’abitazione sia per caricare la batteria, come indica il livello crescente di carica.
Rispetto al sistema di tipo UPS, è possibile notare che il supporto all’autoconsumo inizia circa 3 ore
prima. Gli effetti di questo prolungamento si fanno notare nelle percentuali di autoconsumo e di
autoalimentazione:
• L’autoconsumo aumenta a 58,76%, vale a dire 11,02 punti percentuali in più rispetto al caso
senza accumulo e 4,3 punti in più rispetto al caso con accumulo di tipo UPS;
• L’autoalimentazione aumenta a 77,95%, vale a dire 14,62 punti percentuali in più rispetto al
caso senza accumulo e 5,7 punti in più rispetto al caso con accumulo di tipo UPS.
Queste maggiori prestazioni sono dovute ad un utilizzo migliore dell’energia fotovoltaica,
alimentando i consumi ogni volta che ciò sia possibile ed utilizzando il surplus per caricare le batterie.
Il sistema UPS, tendendo a dedicare la prima energia al caricamento della batteria, perde ore di
autoalimentazione diretta che poi non riesce a recuperare. Queste considerazioni sono tuttavia
riferite ad un sistema non perfettamente dimensionato. Come vedremo, in un sistema ben fatto, le
differenze tra le due tipologie sono di molto inferiori.
I grafici visti finora ci mostrano una situazione in cui l’accumulo non permette di raggiungere
l’autoalimentazione totale. Ma ciò non significa che non sia possibile: il segreto è nel
dimensionamento corretto del blocco batterie. Un sistema ben progettato deve partire dalla quantità
di energia consumata nelle ore di non irraggiamento, dimensionando il blocco batterie in modo da
arrivare alla mattina successiva. Per questo motivo, in impianti di questo tipo, è indispensabile
intervenire sull’abitazione per abbattere il più possibile i consumi serali e notturni, spostando nelle
ore diurne il funzionamento degli elettrodomestici energivori (lavatrice, lavastoviglie, ecc.) e
adottando illuminazione a LED.
Dopo aver fatto i dovuti calcoli, vediamo l’effetto di un corretto dimensionamento del blocco batterie,
in Figura 6. L’impianto è lo stesso di Figura 4.
La capacità del blocco batterie è stata portata da 3 a 8 kWh e, come è possibile osservare, il sistema
funziona in autoalimentazione al 100%. In questi giorni, l’abitazione viene alimentata solamente dal
sistema UPS e non è connessa alla rete. La Figura 7 indica la situazione sul fronte dell’uso della
produzione fotovoltaica.
Angelo Rivolta - Fotovoltaico, accumulo di energia e pompe di calore: analisi e simulazioni di utilizzo
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Figura 6
Figura 7
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Fonti di alimentazione dei consumi - Modalità UPS
Alimentazione da FV Autoalimentazione da batteria Alimentazione da rete
Produzione FV Livello batterie
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Uso della produzione di energia fotovoltaica - ModalitàUPS
Produzione FV verso consumo Produzione FV verso batterie Produzione FV inutilizzata
Produzione FV Consumo totale Livello batterie
Angelo Rivolta - Fotovoltaico, accumulo di energia e pompe di calore: analisi e simulazioni di utilizzo
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Il grafico mostra che l’energia è sufficiente per soddisfare i consumi e caricare le batterie. In queste
due giornate l’autoconsumo è pari a 75,38%.
I grafici del sistema di tipo parallelo in questo caso sono identici a quelli tipo UPS, con un'unica
differenza: essendo il sistema connesso alla rete, è in grado di immettere l’energia in surplus, che
nei giorni considerati è pari a 24,62% dell'energia prodotta.
Come prima conclusione possiamo affermare che i due sistemi, quando funzionano in
autoalimentazione totale, sono equivalenti. Da un punto di vista economico, i sistemi di tipo parallelo
permettono tuttavia un risultato migliore, dovuto alla valorizzazione dell’energia immessa in rete.
Da notare che, quando i sistemi funzionano in parziale alimentazione, il fenomeno della migliore
gestione dell’energia in fase di carica e della migliore gestione dell’energia in surplus sono presenti
contemporaneamente nell’arco della stessa giornata, per cui possiamo trarre una conclusione
aggiuntiva: i sistemi di tipo UPS devono essere sempre correttamente dimensionati, pena il mancato
raggiungimento delle prestazioni ottimali. Un sottodimensionamento del blocco batterie non
consente di ottenere l’autoalimentazione totale e un sovradimensionamento della potenza dei moduli
FV avrebbe come effetto una elevata quantità di energia inutilizzata. In questi sistemi si tende ad
avere quindi potenze non elevate in kWp e alte capacità di batteria.
I sistemi di tipo parallelo possono essere dimensionati anche senza l’obiettivo di raggiungere
l’autoalimentazione totale, dato che forniranno comunque un apporto di energia aggiuntiva pari alla
capacità del blocco batterie e all’energia disponibile, senza avere controindicazioni. Da un punto di
vista commerciale, questo apre la possibilità di dimensionare il blocco batterie sulla base di una
valutazione economica, scegliendo eventualmente livelli di autoalimentazione inferiori al 100% a
fronte di investimenti inferiori in batterie.
I casi visti finora sono relativi a due giorni presi ad esempio ma non sono certo indicativi del
comportamento dei sistemi in tutte le condizioni che si verificano nel corso dell’anno.
In Figura 8 è mostrata la situazione dell’11 e 12 Gennaio 2014, dove è possibile osservare che
l’autoconsumo non avviene nonostante le batterie da 8 kWh, a causa di insufficiente irraggiamento.
Angelo Rivolta - Fotovoltaico, accumulo di energia e pompe di calore: analisi e simulazioni di utilizzo
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Figura 8
Nel caso descritto, relativo ad un sistema in parallelo, nel primo giorno l’energia prodotta è inviata
interamente all’abitazione e le batterie non vengono caricate. Se si fosse trattato di un sistema di
tipo UPS, le batterie sarebbero state parzialmente caricate. Da notare come i picchi di assorbimento
del secondo giorno siano soddisfatti mediante ricorso alle batterie, con una erogazione che arriva a
3800 W senza intervento della rete.
Nella Figura 9 invece viene mostrata la situazione di due giorni con elevata produzione e basso
consumo, il 20 e il 21 Agosto 2014.
Angelo Rivolta - Fotovoltaico, accumulo di energia e pompe di calore: analisi e simulazioni di utilizzo
31
Figura 9
E’ evidente il sovradimensionamento della potenza generata rispetto ai consumi, che porta ad un
pieno utilizzo in autoalimentazione ma anche ad una energia in surplus che non può essere immessa
in rete nel caso in questione, relativo ad un sistema di tipo UPS. Nessun problema, invece, se il
sistema fosse stato in parallelo, con scambio dell’energia in surplus con la rete.
Ma quanto è frequente l’autoconsumo totale?
Dopo aver visto che, con un accumulo correttamente dimensionato, in alcuni giorni è possibile
ottenere un autoconsumo totale, è necessario indagare sulla frequenza con la quale si può ottenere
questo risultato. Simulando i risultati sui dati di produzione e consumo di tutti i 12 mesi considerati,
è possibile calcolare il numero di giorni in cui questa condizione si verifica. Nella Figura 10, è
possibile osservare il numero dei giorni con autoconsumo totale per mese. Il grafico è relativo
all’impianto in esame, simulando una capacità delle batterie pari a 8 kWh.
Angelo Rivolta - Fotovoltaico, accumulo di energia e pompe di calore: analisi e simulazioni di utilizzo
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Figura 10
Per avere un’indicazione più precisa sull’effetto delle batterie, il grafico riporta anche la percentuale
di consumi coperta da energia fotovoltaica. Questo perché le batterie hanno comunque un effetto
positivo sull’autoalimentazione, anche se non si raggiunge il traguardo del 100%. Si può notare che
nel periodo estivo i giorni di autoconsumo totale sono numerosi, con un totale di 111 su base annua.
Nei mesi di Marzo, Aprile e Settembre, i giorni di autoconsumo totale diminuiscono ma la percentuale
dei consumi autoalimentata rimane su valori molto elevati. L’autoalimentazione su base annua,
infatti, è pari a 72,76% e l’autoconsumo a 69,18%. Nel caso di un analogo sistema di tipo UPS, i
giorni di autoconsumo sarebbero stati 114, mentre l’autoalimentazione sarebbe stata pari a 67,08%.
Il numero maggiore di giorni con autoconsumo totale è spiegato dalla logica con cui viene caricata
la batteria, che ogni volta che parte dalla carica minima ha la precedenza, fino alla carica totale. Il
maggiore utilizzo di energia fotovoltaica ad uso diretto spiega invece i 5 punti aggiuntivi di
autoalimentazione del sistema in parallelo.
Come dimensionare le batterie?
E’ conveniente cercare ad ogni costo l’autoalimentazione al 100%? Certamente è un traguardo
suggestivo ma rischia di essere una scelta non conveniente. In entrambi i tipi di sistemi, infatti, il
dimensionamento delle batterie fornisce risultati soddisfacenti anche senza ottenere un numero
elevato di giornate con autoalimentazione totale. Nella Figura 11 viene mostrato lo stesso impianto
di Figura 10 ma con batterie di capacità pari a 4 kWh, ovvero la metà.
Angelo Rivolta - Fotovoltaico, accumulo di energia e pompe di calore: analisi e simulazioni di utilizzo
33
Figura 11
In questo caso, le giornate con autosufficienza al 100% sono scese a zero ma l’autoalimentazione
rimane comunque elevata, con un valore annuo pari a 64,47%. Come è possibile?
Figura 12
Angelo Rivolta - Fotovoltaico, accumulo di energia e pompe di calore: analisi e simulazioni di utilizzo
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La risposta è nella Figura 12, che mostra l’andamento dell’alimentazione giornaliera nel mese con il
valore più alto, Giugno 2013. Per semplicità di lettura, il grafico riporta solamente l’alimentazione da
batteria e quella da rete. E’ possibile distinguere i singoli giorni e, al loro interno, la ripartizione
dell’alimentazione da batteria o da rete. In ogni giorno, il contributo dell’energia da batteria è elevato
ma non è mai tale da raggiungere il 100%. Ciò evidenzia che, anche se non si raggiunge
l’indipendenza totale dalla rete in nessun giorno, il contributo delle batterie può essere tale da portare
l’autoalimentazione a valori elevati. Questo grafico ci conferma che, da un punto di vista
dell’investimento, non conviene puntare a tutti i costi ad ottenere giorni di autoalimentazione totale
ma conviene invece puntare ad ottenere un soddisfacente livello di autoalimentazione annuale.
Il fenomeno descritto nella Figura 11 si ripete anche nel caso di un sistema di tipo UPS, in questo
caso con giorni ad autosufficienza al 100% ancora pari a zero e con autoalimentazione annuale pari
a 56,62%. La diminuzione di autoalimentazione nel passaggio da 8 a 4 kWh di capacità è in questo
caso maggiore rispetto al caso del sistema in parallelo (11 punti percentuali contro 8). Questo ci
conferma che i due sistemi vanno usati in modo diverso e che il dimensionamento delle batterie va
fatto con logiche diverse: con i sistemi in parallelo si può puntare anche ad un dimensionamento
inferiore, perché l’impianto fornirà buoni risultati anche con compromessi più convenienti da un punto
di vista dell’investimento. Con i sistemi UPS è necessario puntare ad un dimensionamento più
generoso. Maggiore è la capacità del blocco batterie, minore è la differenza tra i due sistemi.
Figura 13
Angelo Rivolta - Fotovoltaico, accumulo di energia e pompe di calore: analisi e simulazioni di utilizzo
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Possiamo notare questo fenomeno se portiamo su un grafico, per capacità crescente delle batterie,
la percentuale di autoalimentazione e i giorni di autoalimentazione totale, come mostrato dalla Figura
13.
Le linee indicano la percentuale di autoalimentazione annua delle due tipologie di accumulo al
variare della capacità delle batterie. E’ possibile osservare che questo valore per i sistemi in parallelo
è superiore a quello dei sistemi UPS, soprattutto per valori intermedi di capacità, mentre
all’aumentare della capacità la differenza tende ad affievolirsi. Le barre verticali indicano invece il
numero di giorni ad autosufficienza totale. Possiamo notare che sotto i 5 kWh di capacità non si
hanno giorni al 100% di autoalimentazione, dopodiché abbiamo un andamento diverso, con i sistemi
di tipo parallelo in vantaggio iniziale e i sistemi di tipo UPS in vantaggio su capacità maggiori.
E’ interessante notare che la superiorità nella percentuale di autoalimentazione dei sistemi in
parallelo aumenta fino al punto in cui iniziano a verificarsi giorni di autoconsumo totale. Da questo
momento in poi, i sistemi UPS riducono lo svantaggio. A ulteriore conferma di quanto già affermato,
i sistemi di tipo UPS devono essere dimensionati con capacità adeguate a generare un numero
elevato di giornate con totale autoalimentazione. Solo in questo modo danno il meglio di sé.
Figura 14
Se analizziamo i dati con un’altra logica, possiamo notare fino a che punto è conveniente aumentare
la capacità delle batterie per i due sistemi. In Figura 14 viene mostrato solo l’incremento
dell’autoalimentazione all’aumentare della capacità delle batterie. Ad esempio, in un sistema di tipo
parallelo, un accumulo di 1 kWh provoca un aumento di autoalimentazione di circa 6 punti
Angelo Rivolta - Fotovoltaico, accumulo di energia e pompe di calore: analisi e simulazioni di utilizzo
36
percentuali rispetto ad un impianto privo di accumulo. Aumentando la capacità a 2 kWh, si ottiene
un ulteriore incremento di circa 4 punti e così via, con andamento decrescente. In un sistema di tipo
UPS, con il primo kWh di accumulo si ottiene un incremento di soli 2,8 punti ma, continuando ad
aggiungere, l’incremento non diminuisce come nell’altro caso.
E’ evidente che i sistemi UPS beneficiano in misura maggiore dell’incremento delle batterie, fino a
capacità elevate (nel caso specifico fino a 9 kWh), mentre l’incremento nei sistemi in parallelo
diminuisce al crescere della capacità. Nell’impianto in esame, con un sistema in parallelo
converrebbe fermarsi ad una capacità del blocco batterie pari a 6 kWh. Per ogni kWh di capacità
aggiuntiva oltre questa soglia, l’incremento di autoalimentazione sarebbe inferiore al 2%, rendendo
poco redditizio l’investimento. Per un sistema di tipo UPS, l’incremento di autoalimentazione si
manterrebbe intorno al 2,5% fino ad una capacità di 9 kWh ed è quindi ipotizzabile aumentare il
blocco batterie fino a questo valore. Ancora una volta, i sistemi di tipo UPS sembrano dare il meglio
con elevate capacità di accumulo.
Effetto della riduzione dei consumi
I grafici finora presentati sono riferiti a un caso reale di una abitazione abbastanza energivora, con
consumo pari a circa 6.900 kWh/anno, Questo per scelta, dato che in nella stagione invernale viene
sfruttata l’energia fotovoltaica in surplus per alimentare una pompa di calore in riscaldamento che
integra la caldaia a gas.
Figura 15
Angelo Rivolta - Fotovoltaico, accumulo di energia e pompe di calore: analisi e simulazioni di utilizzo
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La maggioranza delle abitazioni, tuttavia, ha consumi inferiori e potrebbe essere interessante
osservare cosa accade su abitazioni con un consumo medio, stimabile in 4.500 kWh/anno. Dato che
il simulatore consente di aumentare o ridurre i consumi applicando un moltiplicatore, utilizzando un
fattore 0,65 si ottiene un consumo annuale pari a quello medio della famiglia italiana ed è possibile
vederne l’effetto nella Figura 15, in confronto con la Figura 10. I giorni con autoconsumo totale
salirebbero da 111 a ben 216, con un sensibile aumento di autoalimentazione da 72,76% a 84,23%.
In questo caso si potrebbe valutare anche una riduzione della capacità delle batterie, con un
investimento più oculato. Ad esempio, una scelta molto conservativa potrebbe essere un blocco
batterie di soli 3 kWh, che fornirebbe soli 15 giorni di autoalimentazione totale ma con una
percentuale di autoalimentazione pari a 71,96%, pienamente soddisfacente.
Quest’ultimo risultato ci ricorda ancora una volta che il primo intervento su un’abitazione deve
riguardare l’abbattimento dei consumi. Solo con consumi contenuti si possono ottenere risultati
ottimali con impianti ad accumulo.
Effetti della… latitudine.
I risultati di cui abbiamo parlato finora sono in realtà molto prudenziali, perché basati sui dati storici
di un impianto collocato nella nebbiosa Pianura Padana. Basta spostarsi un poco al Sud per ottenere
risultati migliori e così ho introdotto nel simulatore una funzione che permette di variare la produzione
e simulare altre località. Per rendere evidente il fenomeno, ho virtualmente spostato l’impianto di
Figura 15 a Portopalo di Capo Passero, con un aumento di produzione pari al 30%, su una abitazione
che consuma 4.500 kWh l’anno. Inutile dire che i risultati sono molto incoraggianti: con un blocco
batterie da 8 kWh, i giorni di autoalimentazione totale sono pari a 244 e l’autoalimentazione annua
è pari a 88%. In questo caso, vale proprio la pena di ridurre l’investimento in batterie. Limitandoci ad
esempio ad un accumulo di 3 kWh, i giorni di totale autosufficienza scenderebbero a 21 ma
l’autoalimentazione annua rimarrebbe attestata su 75%.
Erogazione di correnti elevate
Nei sistemi ad isola, uno dei temi tecnici più importanti è quello della capacità del sistema di erogare
correnti elevate. Per questo motivo, quando si progetta un sistema ad isola, non ci si ferma di solito
all’installazione di un sistema di produzione di energia da fonte rinnovabile ma ci si preoccupa anche
di come verrà utilizzata l’energia. E’ importante innanzitutto che il consumo dell’abitazione sia il più
basso possibile. E’ necessario inoltre evitare utenze a grande assorbimento di energia o con spunti
di partenza elevati, per non mettere in crisi il sistema batterie-inverter. Per questo motivo, i sistemi
di accumulo di tipo UPS hanno generalmente un inverter in grado di erogare correnti elevate. Allo
Angelo Rivolta - Fotovoltaico, accumulo di energia e pompe di calore: analisi e simulazioni di utilizzo
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scopo di evidenziare il fenomeno, in Figura 16, è stata introdotta in un sistema di tipo UPS una forte
limitazione di corrente erogabile.
Figura 16
E’ possibile notare che, nel secondo giorno, i picchi di assorbimento delle ore 11:30, 11:45 e 14:15
vengono compensati dall’energia proveniente dalle batterie, per la parte che supera l’energia
fotovoltaica disponibile. Alle 14:30 il sistema entra però in crisi a causa della limitazione di corrente
erogabile e le batterie non riescono a fornire tutta l’energia necessaria. La parte di energia mancante
è evidenziata in nero. Un sistema reale in queste condizioni staccherebbe l’alimentazione dalle
batterie e riconnetterebbe l’abitazione alla rete. Va ribadito che la limitazione introdotta nella
simulazione è solo a scopo didattico e non è realistica, dato che queste macchine montano tutte
inverter con alta capacità di erogazione ma non bisogna sottovalutare il fenomeno: in orario di cena
e di rientro a casa, l’uso dell’illuminazione e una eventuale contemporanea partenza di
elettrodomestici ad alto assorbimento (come forno microonde, lavatrice, asciugacapelli, ecc.)
possono generare picchi di energia assorbita notevoli ed è necessario quindi assicurarsi che il
sistema sia in grado di reggere.
I sistemi in parallelo godono invece della presenza di una fonte di energia che interviene ogni qual
volta l’inverter non sia in grado di fornire correnti elevate: la rete elettrica. Essendo collegati
costantemente alla rete, tutto ciò che l’inverter non riesce ad erogare per mancanza di energia o per
limitazioni di corrente viene prelevato dalla rete, senza alcuna commutazione. Alcuni produttori
sfruttano questa particolarità e impostano il dispositivo in modo da limitare la corrente massima di
Angelo Rivolta - Fotovoltaico, accumulo di energia e pompe di calore: analisi e simulazioni di utilizzo
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erogazione dalle batterie, per prolungarne la durata. Le batterie scaricate con basse correnti, infatti,
erogano più energia totale e aumentano la loro durata. Ad esempio, una batteria tra le più diffuse in
campo storage fotovoltaico, presa come riferimento nelle simulazioni, fornisce circa il 10% in più di
energia se scaricata totalmente in 10 ore anziché in 5 ore. Questa differenziazione si riflette nelle
caratteristiche costruttive degli inverter dedicati: i sistemi di tipo UPS hanno normalmente inverter
sovradimensionati, mentre i sistemi in parallelo possono avere componentistica dimensionata su
erogazioni inferiori.
Perdite di efficienza
Una delle informazioni più difficili da avere oggi riguarda le perdite totali di energia in un ciclo di
carica-scarica. Da alcune dichiarazioni raccolte, le perdite sarebbero dell’ordine del 15% ma ho
raccolto anche commenti che suggeriscono perdite maggiori. La valutazione è difficile, perché
dipende da un mix di perdite riguardanti sia il caricabatteria-inverter sia le batterie stesse. Ciò che
possiamo fare è una simulazione di come varia l’apporto delle batterie al variare delle perdite di
efficienza del sistema. La Figura 17 rappresenta l’effetto di perdite di efficienza crescenti sul
comportamento di carica di un sistema in parallelo, attraverso la curva del livello della batteria. In
legenda sono indicate le percentuali di autoconsumo e di autoalimentazione corrispondenti.
Figura 17
Angelo Rivolta - Fotovoltaico, accumulo di energia e pompe di calore: analisi e simulazioni di utilizzo
40
Come è possibile osservare, il livello di carica delle batterie diminuisce al crescere delle perdite ma
non solo: il punto di massima carica si sposta in avanti nel tempo, ritardando al crescere delle perdite.
Il tema delle perdite totali di efficienza è quindi di determinante importanza ed è una delle
informazioni su cui è necessario fare chiarezza.
Quindi, è possibile ottenere autoalimentazione al 100%?
Un corretto dimensionamento del sistema è fondamentale per elevare la percentuale di
autoalimentazione. Un sistema ben progettato può arrivare facilmente all’autoalimentazione totale
per la maggior parte dei giorni in un anno e coprire i consumi annuali con percentuali elevate, anche
oltre il 90%. La decisione riguardo la percentuale di copertura desiderata dipende da valutazioni
economiche: ogni cliente è libero di scegliere l’investimento ed i relativi benefici.
Alla fine, quale sistema scegliere?
L’argomento è complesso, con numerose variabili e argomentazioni a favore dell’uno e dell’altro
sistema. Secondo la simulazione, in termini di prestazioni pure, i sistemi con batterie in parallelo
rendono disponibile all’abitazione una maggiore quantità di energia fotovoltaica, diretta o attraverso
le batterie. I sistemi di tipo parallelo hanno anche dei vantaggi per quanto riguarda la gestione del
surplus di energia fotovoltaica, mentre i sistemi di tipo UPS hanno una funzione nativa di
alimentazione in caso di black-out.
In termini di mercato, ciò che fa preferire i sistemi di tipo UPS è la ricerca di una soluzione senza
complicazioni burocratiche ed al sicuro da evoluzioni normative impreviste. In questo momento, con
le norme tecniche in versione non definitiva, esiste un rischio effettivo che i dispositivi in parallelo
già installati debbano essere aggiornati o che i calcoli economici debbano essere rivisti aggiungendo
oneri oggi non previsti.
In ogni caso, la qualità e la robustezza del prodotto sono determinanti: trattandosi di dispositivi che
devono erogare l’energia per l’abitazione, è più che mai importante scegliere prodotti affidabili, con
produttori realmente presenti sul territorio e in grado di seguire il cliente.
Angelo Rivolta - Fotovoltaico, accumulo di energia e pompe di calore: analisi e simulazioni di utilizzo
41
Fotovoltaico con accumulo: verifica dei dati simulati
con dati reali
In due articoli pubblicati da Solare B2B nell’Ottobre 2014 e nel Gennaio 2015 avevo proposto
un’analisi sul funzionamento dei sistemi fotovoltaici con batteria, basata su una simulazione
realizzata in MS Excel.
A partire dai dati di produzione e di consumo orari, il software permette di simulare il caricamento e
lo scaricamento della batteria e il conseguente effetto sull’energia immessa in rete o prelevata.
Alcuni parametri modificabili permettono di stimare l’effetto della variazione di:
- capacità totale della batteria;
- profondità di scarica (DoD);
- perdite di energia nelle fasi di carica e scarica;
- corrente massima nelle fasi di carica e scarica.
Un’opportuna variazione nella logica della simulazione di carica/scarica permette inoltre di
confrontare i sistemi con batterie in parallelo con i sistemi funzionanti con la logica di tipo “UPS”,
dove l’abitazione non è connessa al sistema nella fase di carica e viene invece disconnessa dalla
rete e connessa al sistema durante la scarica. Questo perché, nella prima fase di mercato, sistemi
di questo tipo si sono diffusi maggiormente per poi lasciare spazio ai sistemi con batterie in
parallelo.
Angelo Rivolta - Fotovoltaico, accumulo di energia e pompe di calore: analisi e simulazioni di utilizzo
42
Data la disponibilità dei dati storici necessari, è stato ora possibile ottenere indicazioni
sufficientemente precise sull’effetto e sulla convenienza dell’aggiunta di una batteria ad un sistema
FV esistente.
Le principali conclusioni dell’analisi sono le seguenti:
- Autoconsumo diretto ed energia disponibile per la carica si influenzano in modo inversamente
proporzionale ma è comunque conveniente massimizzare l’autoconsumo diretto e considerarlo
prioritario;
- Il dimensionamento della potenza dei moduli fotovoltaici deve tener conto di un
sovradimensionamento, per ottenere una maggiore probabilità di carica totale nel corso
dell’anno;
- I sistemi di simulazione devono tener conto delle giornate a carica parziale o nulla, altrimenti i
risultati non sono sufficientemente realistici;
- I sistemi con batterie sempre in parallelo sono superiori ai sistemi di tipo “UPS” per maggiore
percentuale di autoalimentazione, per la possibilità di immettere energia in rete, per una
maggiore flessibilità nel dimensionamento della batteria e per una maggiore capacità di
sopportare picchi di assorbimento;
- Il trade-off tra investimenti per riduzione dei consumi dell’abitazione e investimenti per
l’installazione di sistemi di stoccaggio dell’energia elettrica è a favore dei primi. Vale a dire: prima
di investire cifre importanti per l’installazione di sistemi con batteria, è sempre meglio intervenire
per migliorare le caratteristiche energetiche dell’edificio (illuminazione a LED, isolamento
termico, ecc.), altrimenti una parte importante della preziosa energia immagazzinata verrà
consumata inutilmente;
- La disponibilità di maggiori giornate di cielo sereno rende meno critico il dimensionamento del
sistema. In altre parole, un corretto dimensionamento della potenza FV e della capacità delle
batterie è molto più critico nelle regioni settentrionali rispetto a quelle meridionali, a causa di
frequenti giornate con insufficiente irraggiamento;
- Non è importante ottenere il massimo numero di giornate con il 100% di autoalimentazione,
quanto ottenere la maggiore percentuale possibile di autoalimentazione su base annua;
- La batteria ideale dovrebbe ricevere l’energia in surplus ogni qualvolta questa sia disponibile ma
dovrebbe anche erogare energia ogni qualvolta ve ne sia domanda, senza limitazioni legate al
ciclo di carica, scarica o mantenimento;
- La strategia di utilizzo deve comprendere uno stop all’uso delle batterie nei mesi invernali, per
evitare il più possibile i cicli a carica parziale e massimizzare l’investimento in batterie.
Ovviamente, le conclusioni dell’analisi qui riportate sono riferite all’utilizzo di un modello teorico e, a
questo punto, la domanda di fondo è: in quale misura il software rispecchia il reale comportamento
dei sistemi di accumulo applicati ad un impianto FV?
Angelo Rivolta - Fotovoltaico, accumulo di energia e pompe di calore: analisi e simulazioni di utilizzo
43
La disponibilità di dati reali di un sistema con batterie di tipo “in parallelo” ha permesso di valutare la
validità del simulatore ed il confronto con alcuni grafici ci permette alcune osservazioni al riguardo.
Per completezza di informazione, la potenza dei moduli FV nell’impianto campione è pari a 5 kWp
con orientamento ad Ovest ed inclinazione pari a 20°.
La batteria è di tipo agli ioni di Litio con capacità nominale pari a 6,4 kWh e DoD impostato a 90%.
L’impianto è collocato in provincia di Milano.
L’assunto di questo supplemento di indagine è quindi il seguente: se i risultati del simulatore vengono
confermati da osservazioni reali, le conclusioni esposte negli articoli precedenti possono essere a
loro volta confermate.
Prendiamo quindi i dati di produzione e consumo del 7 e 8 Ottobre 2016, con risoluzione temporale
pari a 15 min e inseriamoli nel simulatore. Il grafico che mostra l’utilizzo dell’energia fotovoltaica
prodotta è riportato in Fig. 1.
Si nota che la priorità viene data all’alimentazione dei consumi istantanei (in blu) e che solo il surplus
viene dedicato alla carica della batteria (in azzurro). Si nota anche che l’energia FV prodotta nei due
giorni viene interamente destinata alla carica della batteria e non c’è quindi immissione in rete. A
causa della scarsa energia FV disponibile, nel primo giorno la batteria viene caricata completamente
allo scadere del periodo di produzione fotovoltaica, mentre nel secondo giorno viene caricata solo
parzialmente (linea tratteggiata in rosso). Si nota inoltre il livello minimo di carica impostato a 10%
(cioè DoD pari a 90%).
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Fig. 1 - Impianto fotovoltaico con batteria - Simulazione
Produzione FV verso consumi Produzione FV verso batterie Produzione FV verso rete
Produzione FV Consumo totale Livello batterie
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La perdita di efficienza è stata impostata a 10% durante la carica e 10% durante la scarica. Per
semplicità, il software considera la stessa perdita in input e in output.
È possibile osservare che la batteria continua a caricarsi fino a quando esiste un surplus di energia
FV (rappresentata dalla linea verde), per poi iniziare a scaricarsi appena l’energia FV disponibile
scende al di sotto dei consumi (indicati dalla linea gialla).
Vediamo ora nella Fig. 2 il grafico dei dati reali, ottenuto scaricando dal sistema i dati dei giorni
corrispondenti.
La somiglianza con i dati elaborati precedentemente è notevole e depone a favore della bontà della
simulazione. Possiamo notare la leggera differenza tra l’energia fotovoltaica prodotta (linea verde)
e l’energia erogata effettivamente dall’inverter per l’autoconsumo (in blu), probabilmente per perdite
di efficienza. Ancora più evidente è la differenza tra l’energia FV prodotta e quella disponibile per la
carica della batteria, che evidentemente subisce maggiori perdite nel processo. L’andamento della
carica della batteria è molto simile al grafico precedente: nel primo giorno si raggiungono la carica
massima e la carica minima nel medesimo orario, mentre nel secondo giorno si notano delle
differenze nella carica massima raggiunta (82% contro 89% della simulazione) che si riflette in una
durata inferiore di circa 45 minuti rispetto alla simulazione. L’andamento reale della scarica mostra
inoltre un andamento meno lineare rispetto alla simulazione, in entrambi i giorni. Questo è
probabilmente da imputare alla logica interna con la quale vengono elaborati i dati dell’inverter, dato
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Fig. 2 - Impianto fotovoltaico con batteria - Dati reali
Prod. FV verso batteria Produzione FV verso consumi Produzione FV
Consumo totale Livello batterie
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che nel secondo giorno appare una breve carica della batteria alle 2:00 notturne, che ovviamente
non può avvenire.
Analizziamo ora il lato consumo, dapprima con il grafico che riporta la simulazione, in Fig. 3.
All’inizio di entrambi i giorni, l’alimentazione proviene esclusivamente dalla rete (in rosso), data
l’assenza di energia fotovoltaica o da batteria. Al crescere dell’energia FV disponibile, il prelievo da
rete si riduce, salvo aumentare di nuovo in corrispondenza di picchi di assorbimento. Durante la
giornata, l’energia fotovoltaica è sufficiente per alimentare totalmente i consumi (in verde) ed al suo
esaurirsi subentra la batteria (in azzurro), che nel frattempo si è caricata. L’energia da batteria
termina al raggiungimento del limite inferiore di carica (10%), dopodiché è ancora la rete a
supportare il consumo di energia.
Il confronto con i dati reali scaricati dall’inverter, nella Fig. 4, mostra ancora una volta un andamento
molto simile. Le piccole differenze tra simulazione e dati reali ci mostrano un aspetto molto
interessante dei sistemi con batterie sempre in parallelo: se l’energia erogata non è sufficiente a
soddisfare i consumi, il sistema attinge dalla rete e assicura quindi che alle utenze sia disponibile
tutta l’energia richiesta. Lo si può osservare nel piccolo prelievo dalla rete alle ore 19:45 del secondo
giorno. Il picco di assorbimento dovuto alle attività domestiche non riesce ad essere alimentato
completamente dalla batteria e di conseguenza viene alimentato in modo complementare dalla rete.
In questo, i sistemi con batterie in parallelo sono decisamente superiori ai sistemi di tipo UPS, nei
quali l’abitazione non è connessa alla rete durante la scarica. Nei sistemi in parallelo, inoltre, non è
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Fig 3 - Impianto fotovoltaico con batteria - Simulazione
Alimentazione da FV Alimentazione da batteria Alimentazione da rete
Produzione FV Livello batterie
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importante dimensionare la capacità di erogare corrente del sistema batteria-inverter sui picchi di
assorbimento, ed è possibile quindi proporre sistemi più economici ed affidabili.
Tornando alla simulazione, questi piccoli prelievi di energia dalla rete in corrispondenza dei picchi di
assorbimento non sono presenti nel calcolo teorico, segnale che esiste un parametro relativo alla
capacità di erogazione da mettere a punto in versioni future. Al di là di questo, la somiglianza con il
calcolo teorico è notevole.
Se prendiamo quindi per buona la simulazione, possiamo utilizzare il software alla ricerca di altri dati
interessanti.
Il grafico seguente fornisce un’indicazione circa l’autoconsumo, riportando i giorni per mese in cui,
sulla serie storica del 2015, l’impianto avrebbe ottenuto l’autoconsumo totale. La linea blu indica,
inoltre, la percentuale di autoconsumo mensile ottenuto con la batteria (dato simulato), mentre quella
verde indica quella ottenuta senza batteria (dato storico).
Appare chiaro che, sebbene i giorni in cui si raggiunge l’autoconsumo totale siano pochi, la
percentuale di autoconsumo è comunque elevata da Marzo a Settembre, con valori compresi tra
78% e 92%. Il confronto con la curva relativa ai dati senza batteria indica un netto vantaggio negli
stessi mesi, rendendo visibile il vantaggio dell’operazione, quantomeno da un punto di vista tecnico.
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Fig 4 - Impianto fotovoltaico con batteria - Dati reali
Energia da batteria Prelievo da rete Autoconsumo da FV
Produzione FV Livello batterie
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Conclusioni
La simulazione di un impianto fotovoltaico dotato di batteria, ottenuta facilmente mediante un foglio
di calcolo, ha fornito risultati molto vicini alla realtà. Possiamo quindi prendere per buone quasi tutte
le conclusioni e le particolarità emerse negli articoli precedenti.
Rimangono tuttavia aperte alcune domande:
- La batteria si comporta veramente come un serbatoio di energia ideale, caricandosi o
scaricandosi in funzione della disponibilità o del fabbisogno di energia?
- È vero che, nel periodo invernale, è più conveniente spegnere la batteria e non utilizzarla?
- Quanto deve costare la batteria per essere vantaggiosa da un punto di vista economico? È più
vantaggioso installare un impianto FV senza o con batteria?
L’osservazione dei dati reali può darci queste risposte, ma dobbiamo attendere che trascorra
l’inverno per la raccolta dei dati. Arrivederci quindi al prossimo appuntamento.
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Fig. 5 - Autoconsumo in 12 mesi
Giorni di autoconsumo totale Giorni con prelievo dalla rete % di Autoalim.
% di Autoalim. senza batteria Giorni di autoconsumo totale: 12
Angelo Rivolta - Fotovoltaico, accumulo di energia e pompe di calore: analisi e simulazioni di utilizzo
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Ottimizzare l'autoconsumo fotovoltaico
con le pompe di calore
Utilizzare al massimo l’energia autoprodotta è di estrema importanza per incrementare il rendimento
economico di un impianto fotovoltaico grid connected. Un ottimo metodo per valorizzare l’energia
prodotta e non utilizzata è il suo utilizzo con pompe di calore per la climatizzazione dell’edificio.
Per verificare la fattibilità di questo metodo, ho utilizzato l’impianto di climatizzazione a pompa di
calore (due unità esterne inverter modulanti, a ciascuna delle quali sono connesse due unità interne
da 9.000 e 12.000 BTU/h), sfruttando l’energia prodotta da un impianto FV con una potenza di 5,8
kW, connesso con il 5° conto energia.
Le pompe di calore sono state collegate ad un sistema di gestione intelligente delle utenze elettriche,
che le attiva solo in presenza di energia fotovoltaica. L’obiettivo è quello di utilizzare tutta l’energia
elettrica generata localmente trasformandola in calore, in modo da massimizzarne la valorizzazione.
Nella Figura 1 sono mostrati i profili iniziali di produzione fotovoltaica, autoconsumo e prelievo dalla
rete, con l'impianto di climatizzazione spento. I dati sono relativi ad una giornata di Agosto 2013. E’
evidente come nella fascia giornaliera l’energia disponibile sia di molto superiore ai consumi.
L’autoconsumo giornaliero di energia FV è pari solo al 18%.
Angelo Rivolta - Fotovoltaico, accumulo di energia e pompe di calore: analisi e simulazioni di utilizzo
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Figura 1
E’ stato installato quindi il controllore intelligente di carichi, che attiva le utenze elettriche in base alla
prognosi di produzione fotovoltaica. Il sistema tiene conto della previsione di energia fotovoltaica,
della potenza assorbita da ciascuna utenza, della fascia oraria desiderata e dalla priorità stabilita tra
i vari carichi. Lo scopo è quello di alimentare le pompe di calore senza prelevare energia dalla rete.
In particolare, il vantaggio si ottiene nella stagione invernale, riscaldando la casa con l’energia
fotovoltaica e riducendo il consumo di gas metano.
Le due unità a pompa di calore sono state impostate con priorità diverse: priorità 1 per la zona giorno
e priorità 2 per la zona notte. Il funzionamento viene controllato agendo sul contatto di consenso e
non sull’alimentazione principale: in questo modo l’elettronica di comando delle unità può compiere
correttamente i cicli di accensione e spegnimento delle macchine. Il risultato in funzionamento estivo
è il seguente, relativo sempre ad una giornata di Agosto 2013.
Angelo Rivolta - Fotovoltaico, accumulo di energia e pompe di calore: analisi e simulazioni di utilizzo
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Figura 2
Si può notare l’aumento dell’autoconsumo dovuto al raffrescamento dell’abitazione. Si notano anche
due episodi di prelievo dalla rete in corrispondenza di due picchi di assorbimento, alle 12:00 e alle
14:30, dovuti alla partenza delle pompe di calore. La presenza della rete in parallelo all’energia
fotovoltaica è estremamente importante, in quanto garantisce disponibilità di energia in occasione
di picchi di assorbimento, facendo partire regolarmente i motori delle pompe di calore.
L’autoconsumo giornaliero di energia FV è salito al 51%.
Vediamo ora il caso di una giornata invernale, con le pompe di calore in modalità riscaldamento. Il
risultato è riportato in Figura 3, relativo ad una giornata di Dicembre 2013.
Angelo Rivolta - Fotovoltaico, accumulo di energia e pompe di calore: analisi e simulazioni di utilizzo
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Figura 3
E' possibile notare il notevole incremento dell’autoconsumo e la modulazione delle due pompe di
calore effettuata dal controllore di carichi, in funzione del profilo di produzione fotovoltaica: nella
parte centrale della giornata le pompe funzionano entrambe, mentre nelle ore iniziali e finali funziona
solo la pompa con priorità 1. Il picco di prelievo dalla rete delle 14:15 è dovuto alla momentanea
partenza contemporanea delle due pompe di calore, a cui è seguito l’intervento del controllore di
carichi che ha azzerato il prelievo spegnendo uno delle due utenze. In seguito al funzionamento
delle pompe di calore, l’abitazione è stata riscaldata quasi gratuitamente durante il giorno.
L’autoconsumo giornaliero di energia FV è salito al 78%.
L’utilizzo di pompe di calore ad uso raffrescamento e riscaldamento, gestite da un controllore di
carico asservito alla produzione fotovoltaica, ha permesso quindi un sensibile aumento
dell’autoconsumo e, nel funzionamento invernale, ha permesso di abbattere la spesa di
riscaldamento.
L’abbinamento impianto FV – pompa di calore si conferma come un valido sistema per massimizzare
l’autoconsumo e per riscaldare le abitazioni minimizzando i costi.
Angelo Rivolta - Fotovoltaico, accumulo di energia e pompe di calore: analisi e simulazioni di utilizzo
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Conclusioni
L’utilizzo intelligente di un impianto fotovoltaico passa senza dubbio per l’accumulo dell’energia
prodotta, sia essa sotto forma di energia elettrica o termica.
L’accumulo di energia elettrica vive ancora una fase iniziale, con problematiche che devono essere
ancora completamente risolte e con prodotti ancora poco maturi, tranne poche eccezioni.
Se parliamo di impianti grid connected, le batterie al Piombo, con la criticità legate alla modalità di
carica/scarica parziale e il limitato DoD, poco di prestano ad essere considerate come la soluzione
ottimale. Le nuove generazioni di batterie al litio, con l’elevato DoD e la possibilità di essere
caricate/scaricate parzialmente senza problemi, sembrano essere la giusta soluzione. L’aspetto
problematico è il loro costo, ancora superiore rispetto al valore dell’energia elettrica aggiuntiva
ottenibile dal loro inserimento in un impianto FV.
Tra le modalità di collegamento del sistema di accumulo, il collegamento in parallelo si dimostra
superiore per performance e utilizzabilità, a parità di capacità del blocco batterie.
Per quanto riguarda infine l’utilizzo abbinato di pompe di calore e impianto FV, questa soluzione
rappresenta senza dubbio una combinazione vincente. Dal lato dell’impianto FV, ciò significa un
incremento notevole dell’autoconsumo, mentre dal punto di vista dell’economia generale
dell’abitazione, significa abbattere in modo sensibile la bolletta del combustibile uso riscaldamento.
La pompa di calore può essere gestita da un controllore intelligente di utenze elettriche, che la aziona
solo in presenza di sufficiente energia fotovoltaica. In questo caso si ha una integrazione
dell’impianto di riscaldamento a costo zero per quanto riguarda l’energia utilizzata. Diversamente, si
può scegliere di sostituire interamente l’impianto di riscaldamento con una pompa di calore,
contando sull’abbattimento dei consumi elettrici generato dall’impianto fotovoltaico. Un accumulo di
calore termico, in questo caso, può immagazzinare l’energia prodotta nelle ore a massimo
irraggiamento per riscaldare l’abitazione nelle ore serali.