accumulo fotovoltaico
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Storage fotovoltaico: è possibile l’autoconsumo totale?
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.
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.
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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 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
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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 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
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Uso della produzione di energia fotovoltaica ‐Modalità UPS
Produzione verso consumi Produzione verso batterie Produzione inutilizzata
Produzione FV Consumo totale Livello batterie
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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.
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 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.
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.
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Livello
batterie
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Uso della produzione di energia fotovoltaicaProduzione FV verso consumi Produzione FV verso batterie Produzione FV verso rete
Produzione FV Consumo totale Livello batterie
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Figura 4
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.
A parità di condizioni, il sistema ad accumulo in parallelo mostra un andamento diverso, in Figura 5.
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Livello
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Fonti di alimentazione dei consumi ‐Modalità UPSAlimentazione da FV Alimentazione da batterie Alimentazione da rete
Produzione FV Livello batterie
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Figura 5
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.
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batterie
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Fonti di alimentazione dei consumi ‐Modalità in paralleloAlimentazione da FV Autoalimentazione da batteria Alimentazione da rete
Produzione FV Livello batterie
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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.
Figura 6
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.
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Livello
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Fonti di alimentazione dei consumi ‐Modalità UPS
Alimentazione da FV Alimentazione da batterie Alimentazione da rete
Produzione FV Livello batterie
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Figura 7
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.
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Uso della produzione di energia fotovoltaica ‐Modalità UPS
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Produzione FV Consumo totale Livello batterie
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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.
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.
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Livello
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Fonti di alimentazione dei consumi ‐Modalità in paralleloAlimentazione da FV Autoalimentazione da batteriaAlimentazione da rete Produzione FVLivello batterie
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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.
Ma quanto è frequente l’autoconsumo?
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.
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Fonti di alimentazione dei consumi ‐Modalità UPS
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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.
0%4%8%12%16%20%24%28%32%36%40%44%48%52%56%60%64%68%72%76%80%84%88%92%96%100%
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2
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Gennaio Febbraio Marzo Aprile Maggio Giugno Luglio Agosto Settembre Ottobre Novembre Dicembre
Giorni
Giorni di autoconsumo totale in 12 mesi ‐Modalità in paralleloCapacità batterie 8 kWh
Giorni di autoconsumo totale Giorni con prelievo dalla rete % di autoalimentazione
12
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? La risposta è nella Figura 12, che
mostra l’andamento dell’alimentazione giornaliera nel mese con il valore più alto, Giugno 2013.
0%4%8%12%16%20%24%28%32%36%40%44%48%52%56%60%64%68%72%76%80%84%88%92%96%100%
‐
2
4
6
8
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12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
32
Gennaio Febbraio Marzo Aprile Maggio Giugno Luglio Agosto Settembre Ottobre Novembre Dicembre
Giorni
Giorni di autoconsumo totale in 12 mesi ‐Modalità in paralleloCapacità batterie 4 kWh
Giorni di autoconsumo totale Giorni con prelievo dalla rete % di autoalimentazione
13
Figura 12
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.
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.
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800
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1200
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2800
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3200
3400
3600
3800
w
Giorni
Alimentazione da rete e da batteria ‐Mese di Giugno 2014
Autoalimentazione da batteria Alimentazione da rete
14
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.
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 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.
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60%
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68%
72%
76%
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Giorni autoalim
entazione totale
% di autoalim
entazione
Capacità batteria kWh
Giorni con autoalimentazione 100%Giorni autoconsumo parallelo Giorni autoconsumo UPS
Autoalimentazione parallelo Autoalimentazione UPS
15
Figura 14
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. 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.
0,0
0,5
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4,5
5,0
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6,5
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Increm
ento in punti percentuali
Capacità batteria kWh
Incremento dell'autoalimentazione annuale
Incremento autoalimentazione parallelo Incremento autoalimentazione UPS
16
Figura 15
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%.
0%4%8%12%16%20%24%28%32%36%40%44%48%52%56%60%64%68%72%76%80%84%88%92%96%100%
‐
2
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18
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32
Gennaio Febbraio Marzo Aprile Maggio Giugno Luglio Agosto Settembre Ottobre Novembre Dicembre
Giorni
Giorni di autoconsumo totale in 12 mesi ‐Modalità in paralleloCapacità batterie 8 kWh ‐ Consumi 4500 kWh/anno
Giorni di autoconsumo totale Giorni con prelievo dalla rete % di autoalimentazione
17
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 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
0%
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40%
60%
80%
100%
0
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01:00
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22:15
23:30
00:45
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07:00
Livello
batterie
W
Fonti di alimentazione dei consumi
Alimentazione da FV Autoalimentazione da batteria Alimentazione da rete
Alimentazione mancante Produzione FV Livello batterie
18
prelevato dalla rete, senza alcuna commutazione. Alcuni produttori sfruttano questa particolarità e
impostano il dispositivo in modo da limitare la corrente massima di 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
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.
‐100
100
300
500
700
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3100
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3500
3700
3900
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08:15
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19:30
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00:00
00:45
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03:00
03:45
04:30
05:15
06:00
06:45
W
Livello di carica delle batterie al variare delle perdite di efficienzaPerdite di efficienza progressive da 0 a 50%
Livello Batteria ‐ Perdite 0% ‐ AC: 92,63% ‐ AA: 59,18%
Livello Batteria ‐ Perdite 10% ‐ AC: 91,72% ‐ AA: 58,60%
Livello Batteria ‐ Perdite 20% ‐ AC: 90,89% ‐ AA: 58,07%
Livello Batteria ‐ Perdite 30% ‐ AC: 88,26% ‐ AA: 56,39%
Livello Batteria ‐ Perdite 40% ‐ AC: 85,26% ‐ AA: 54,48%
Livello Batteria ‐ Perdite 50% ‐ AC: 82,63% ‐ AA: 52,80%
19
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.