Introduzione: l’avanzare delle batterie nei sistemi energetici
Fino a qualche anno fa, la maggior parte delle batterie nelle nostre applicazioni portatili erano ancora non ricaricabili e giocavano un ruolo marginale nella vita della maggior parte delle persone: auto radiocomandate, lanterne da campeggio, bilance da cucina… Anche se le batterie ricaricabili al piombo-acido esistono dalla metà del 19° secolo, la loro bassa densità di energia (o peso elevato per quantità di energia immagazzinata) ha tradizionalmente limitato il loro campo di applicazione. Fino al 2000, le batterie al piombo-acido hanno dominato il mercato delle batterie, soprattutto per il loro uso diffuso come batterie di avviamento per le auto, o il loro impiego stazionario in sistemi di alimentazione remota (ad esempio, per antenne di telecomunicazione remote o applicazioni off-grid). Negli ultimi anni, le tecnologie elettrochimiche di immagazzinamento dell’energia hanno subito un’incredibile (r)evoluzione tecnica, che ha permesso un enorme aumento delle densità di potenza e di energia, una maggiore durata e ciclabilità, e la minimizzazione dei problemi di sicurezza, aprendo così la strada a diverse nuove applicazioni.
Oggi è abitudine comune controllare, prima di uscire di casa ogni mattina, se il cellulare, il tablet e/o il portatile siano carichi, e presto, molto probabilmente, farà parte della routine quotidiana controllare anche se l’auto è carica. Quindi, è chiaro che le batterie sono state un motore essenziale per la rivoluzione dell’informazione (IT) e sono destinate a diventare un fattore chiave per il cambiamento di paradigma nel trasporto personale verso la mobilità elettrica. È probabilmente per queste ragioni che il premio Nobel per la chimica è stato recentemente (2019) assegnato ai ricercatori che hanno inventato le prime batterie agli ioni di litio negli anni ’90 (J. Goodenough, M.S. Whittingham, A. Yoshino).
Meno noto alla maggior parte delle persone, però, è che i sistemi di stoccaggio dell’energia (su larga scala) hanno iniziato a giocare un ruolo molto rilevante nei nostri sistemi di energia elettrica nell’ultimo decennio, e che le batterie sono un elemento chiave per consentire la transizione energetica, essenziale per lo stoccaggio di quote elevate di fonti energetiche rinnovabili variabili. Mentre le batterie e le altre tecnologie di immagazzinamento dell’energia devono ancora affrontare sfide normative e legali per integrarsi nella struttura tradizionale del sistema energetico (generazione, trasporto, consumo) e nei mercati esistenti, un gran numero di sistemi di batterie su scala di rete sono già stati distribuiti in tutta Europa. Essi contribuiscono, tra l’altro, alla stabilizzazione della frequenza della rete (ad un valore nominale di 50Hz) bilanciando in ogni momento i piccoli divari tra il volume della generazione di energia e il consumo momentaneo di energia.
Quali sono le ragioni per diventare un prosumer con un impianto FV-batteria?
Gli edifici sono centrali nelle politiche energetiche dell’UE, in quanto rappresentano quasi il 40% del consumo finale di energia. La nuova direttiva sul rendimento energetico degli edifici (EPBD – Energy Performance of Buildings Directive) richiede che il patrimonio edilizio raggiunga una condizione di “Bilancio Energetico quasi Zero” (nZEB – nearly Zero Energy Balance), obbligatoria per tutti i nuovi edifici a partire da dicembre 2020. Il fotovoltaico (FV) sul tetto o integrato nell’edificio è senza dubbio la fonte rinnovabile più competitiva per la generazione locale di energia elettrica e le batterie sono l’opzione migliore per alleviare localmente i problemi associati alla mancata corrispondenza tra il ciclo solare (con un pronunciato picco di mezzogiorno) e il tipico profilo di consumo energetico (tipicamente simile a un profilo a cammello, con picchi mattutini e serali).
Nella tabella seguente, si cerca di affrontare brevemente il contributo che l’adozione di sistemi residenziali di accumulo a batterie può fornire a ciascuno degli aspetti suggeriti dal famoso Trilemma dell’Energia (vedi Fig. 1).
| Sicurezza energetica – Aumento della sicurezza dell’approvvigionamento energetico grazie a una maggiore autarchia, diminuzione del sovraccarico della rete </strong Per il cliente Il tasso di autosufficienza (o autarchia energetica) delle residenze con solo FV è limitato a circa il 30-40%, mentre può facilmente aumentare a circa il 60-70% con l’adozione di una batteria di stoccaggio adeguatamente dimensionata. Inoltre, i sistemi di stoccaggio a batteria possono eventualmente fornire funzionalità di alimentazione ininterrotta (UPS – uninterrupted power supply) per mantenere l’alimentazione in caso di guasti alla rete. Per il sistema/società/comunità Grazie alla loro risposta rapida e alle loro capacità ad alta potenza, le batterie sono uno dei migliori candidati per fornire stabilità al sistema elettrico. Le batterie vanno quindi a sostituire l’inerzia rotante tradizionalmente fornita da diversi generatori come le centrali a carbone. Questa inerzia è essenziale per mantenere una frequenza di rete stabile. |
| Equità energetica – Batterie come strumento per un’ulteriore decentralizzazione dei sistemi energetici e una maggiore partecipazione pubblica (democrazia energetica) Per il cliente Il prezzo medio dell’elettricità nell’UE per i consumatori domestici è stato fissato a 21,3 ct€/kWh nel 2020[2]. I prezzi delle batterie sono scesi di oltre l’85% dal 2010, permettendo alle tecnologie di autoconsumo (FV + batteria) di diventare competitive in termini di costi. Ora, queste possono finalmente offrire energia ad un costo più basso di quello della rete pubblica (raggiungendo la cosiddetta grid parity – parità di rete). L’autoconsumo permette un’alta partecipazione sia privata che comunale nell’ulteriore sviluppo verso la transizione energetica (contribuendo così alla democrazia energetica). Per il sistema/società/comunità Quando si aggiungono delle batterie agli impianti fotovoltaici privati, si assicura un’interazione più fluida con la rete, diminuendo sia i picchi di consumo, sia i picchi di eccesso di energia immessa in rete (peak shaving – abbattimento dei picchi). Questo può ridurre il sovraccarico della rete, ed evitare l’espansione della rete. Quindi, le batterie possono contribuire alla riduzione complessiva dei costi, ottimizzando il funzionamento della rete, facilitando l’accesso all’energia per i segmenti sociali più vulnerabili. Inoltre, una maggiore competitività dell’autoconsumo e delle tecnologie di alimentazione ad alta autosufficienza è particolarmente importante per quelle aree geografiche con alti costi di generazione o trasporto dell’energia, come le isole o le regioni rurali remote. |
| Sostenibilità ambientale – Le batterie permettono l’integrazione di quote maggiori di FER (Fonti di Energia Rinnovabile) Per il cliente Aggiungere un sistema di batterie a un edificio privato o pubblico per aumentare l’autoconsumo può, nella maggior parte dei paesi europei, a seconda del mix energetico, ridurre significativamente la media ponderata dei fattori di emissione dell’energia consumata. Le emissioni associate all’immagazzinamento delle batterie sono di circa 50 g CO2eq per kWh di energia immagazzinata, mentre l’energia generata dal fotovoltaico ha un’impronta associata di circa 30 g CO2eq/kWh. In confronto, l’energia da fonti di rifiuti (biomassa) ha emissioni associate di circa 100 g CO2eq/kWh, e l’energia da impianti a gas o a carbone oltre 250 g CO2eq/kWh e 350 g CO2eq/kWh [3]rispettivamente. Per il sistema/società/comunità I sistemi di immagazzinamento dell’energia forniscono flessibilità al sistema elettrico, in quanto permettono di spostare l’energia a certe finestre temporali per abbinare ed equilibrare la domanda con l’offerta. Pertanto, tali tecnologie sono un componente indispensabile per le moderne reti con alte quote di fonti rinnovabili variabili, per garantire la corrispondenza tra l’offerta e la domanda di energia in ogni momento. Le batterie costituiscono una delle migliori alternative per una grande parte di tali esigenze (per spostamenti di energia da millisecondi a giorni), mentre altre tecnologie come il power-to-gas, potrebbero essere più competitive per lo stoccaggio stagionale di grandi volumi di energia. |
Come si può vedere, i sistemi di stoccaggio a batteria combinati con impianti fotovoltaici privati hanno un impatto positivo su ciascuno dei vertici del trilemma.
Qual è il ruolo delle batterie nel progetto REACT?
I sistemi innovativi di stoccaggio a batteria sono un elemento chiave all’interno del progetto di ricerca REACT finanziato dall’Unione Europea attraverso il programma di ricerca Horizon2020 e sono quindi installati nella maggior parte dei siti dimostrativi coinvolti in tutte le isole pilota: La Graciosa (Spagna), Inis Mór (Irlanda), e San Pietro (Italia)
Il principale campo di innovazione studiato dal consorzio REACT, in relazione alle tecnologie di accumulo a batterie, si basa sull’integrazione delle batterie all’interno di una piattaforma ICT centralizzata (digitalizzazione), che permette ai sistemi di accumulo a batterie installati di diventare un elemento centrale della strategia di demand response di ciascuno dei siti demo REACT.
Grazie agli sforzi compiuti dai partner del consorzio saranno implementati i canali di comunicazione e le interfacce necessarie per consentire un monitoraggio esteso e un controllo intelligente per analizzare e influenzare le prestazioni delle batterie in ogni sito dimostrativo.
L’integrazione di diversi prodotti del sistema di batterie alla piattaforma REACT si basa sul noto framework open-source di gestione dell’energia OpenMUC[4], o su API di prodotti esistenti (ad esempio, MIDAC API), e fornirà alla piattaforma ICT centrale la capacità di controllo per l’azione coordinata di tutti i sistemi di accumulo di energia.
Per ogni cliente, l’integrazione con la piattaforma permette l’utilizzo dei servizi di back-end che la piattaforma fornisce, tra cui ad esempio le previsioni meteorologiche, le stime di generazione di energia e di consumo. Con tali previsioni, il controllo della batteria può essere programmato per ottimizzare l’utilizzo della batteria. Come esempio, nella Fig. 2 si può osservare che grazie all’uso di previsioni precise l’energia massima di esportazione (come esempio) può essere diminuita significativamente.
Come effetto parallelo, l’aggregazione di tutti questi aspetti della batteria all’interno di una piattaforma comune permette alle società di servizi energetici (ESCO) che gestiscono l’infrastruttura ICT di fornire servizi di rete agli operatori dei sistemi di distribuzione e trasmissione (ad esempio, riserva di contenimento della frequenza), che possono sommarsi ai benefici dell’autoconsumo e offrire ulteriori risparmi ai clienti finali.
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Infine, REACT mira a confrontare le prestazioni di diverse tecnologie, tra cui ioni di litio, piombo-acido avanzato, e sodio-ione, insieme ad altre tecnologie di stoccaggio dell’energia (power-to-gas, per lo stoccaggio stagionale), per fornire alle comunità insulari adeguate conoscenze tecniche sulle migliori tecnologie di stoccaggio dell’energia che dovrebbero essere ulteriormente distribuite per migliorare l’autosufficienza energetica delle isole in modo efficiente ed efficace.
ALLEGATO: Informazioni chiave per l’adozione di un sistema di batteria
Se gli argomenti presentati vi sembrano convincenti e volete pensare all’installazione di un sistema a batteria (e magari anche aderire alla piattaforma REACT?), abbiamo cercato di raccogliere una piccola guida di informazioni chiave che dovrebbero essere presi in considerazione all’inizio.
| Quali sono le tecnologie di batterie più comuni? Le tecnologie più comuni per lo stoccaggio residenziale dell’energia in Europa sono le batterie agli ioni di litio (con più dell’80% delle installazioni recenti), le batterie al piombo e le batterie a flusso redox. Le batterie agli ioni di litio continuano a migliorare significativamente (comprese le prestazioni, la sicurezza e l’efficienza dei costi) e saranno probabilmente l’opzione tecnologica dominante per il prossimo decennio. Altre nuove tecnologie con elettroliti a base di acqua salata (materiali più ecologici e ricchi di terra) sono già disponibili e possono diventare un concorrente in termini di prestazioni e costi nel prossimo futuro. |
| Quali sono le componenti principali? Un sistema di stoccaggio a batteria è principalmente compostoda un pacco batterie (contenente principalmente le celle elettrochimiche ricaricabili) e un convertitore di potenza, tra cui un caricabatterie e un inverter, che permette la trasformazione della corrente continua (DC) in corrente alternata (AC). Altri componenti minori includono fusibili e contatori di energia, insieme ad altri componenti opzionali. |
Come si collega l’impianto?
BI sistemi di batteria sono di solito collegati al quadro elettrico principale di un edificio, come gli impianti fotovoltaici (FV), e devono essere eseguiti da tecnici qualificati. Per quanto riguarda la tipologia del sistema (la connessione tra FV e batteria), le opzioni principali sono (i) accoppiate in CC o (ii) accoppiate in CA. Le tipologie accoppiate in CC sono raccomandate in caso di installazione simultanea di FV e batteria, mentre l’accoppiamento in CA è preferito per le installazioni di sistemi a batteria che si adattano o si aggiungono a sistemi FV già esistenti.
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| Qual è la giusta dimensione della batteria? Anche se una valutazione professionale è altamente raccomandata per ogni caso d’uso, poiché il giusto dimensionamento dei sistemi di batterie – FV dipende fortemente dalle condizioni regionali e nazionali e dagli aspetti tecnici particolari di ogni edificio, una stima del dimensionamento per un maggiore autoconsumo può essere: la dimensione del FV (kWp) può essere selezionata per raggiungere una resa elettrica (produzione) simile al consumo di energia all’anno, raggiungendo così un bilancio energetico zero con tale capacità FV, l’immagazzinamento della batteria con una capacità simile (kWh) alla dimensione FV selezionata (circa 1 kWh per kWp) è una buona approssimazione per un corretto dimensionamento . |
| Quanto è ingombrante il sistema di batteria? I sistemi di batterie residenziali hanno in solitamente un volume non superiore a quello di una lavastoviglie (o più piccolo), e possono essere montati a terra (norma, al chiuso) o appesi al muro. |
| Quanto costa? A partire dal 2020, e a seconda della tecnologia e delle dimensioni, un costo chiavi in mano di circa 1000 €/kWh può essere raggiunto per un tipico sistema di stoccaggio residenziale con una capacità tra 5 e 10 kWh. |
[1] https://www.worldenergy.org/assets/downloads/World_Energy_Trilemma_Index_2020_-_REPORT.pdf
[3] Associated emission factors according to the latest values published by the Covenant of Mayors for Climate and Energy initiative (CoM). https://ec.europa.eu/jrc/en/publication/covenant-mayors-climate-and-energy-default-emission-factors-local-emission-inventories-version-2017
[4] www.openmuc.org
Lluis Millet Biosca (FHG ISE)
