ESS e gestione della batteria – come ottenere l'energia in giornate piovose o senza vento

Anche se pulite e sostenibili, le fonti di energia rinnovabile come il sole e il vento sono incostanti e imprevedibili.

Per ottenere i benefici ambientali derivati dall'uso di tali fonti e poter nel contempo disporre di una quantità di energia sufficiente per soddisfare la domanda è necessario ricorre a soluzioni pratiche in grado di ovviare a questi svantaggi.

Le attuali procedure di immagazzinamento dell'energia

L'immagazzinamento dell'energia è una prassi consolidata nell'ambito della gestione della rete, indispensabile per bilanciare domanda e offerta. Le turbine alimentate a carbone e a gas possono generare elettricità su base continua ma non sono in grado di rispondere efficacemente a rapide fluttuazioni della domanda. Una capacità di generazione in eccesso e l'immagazzinamento dell'energia sono entrambe necessarie per consentire agli operatori della rete di gestire in modo adeguato tali picchi. In tutto il mondo, gran parte dei sistemi per l'immagazzinamento dell'energia sono di tipo idroelettrico: essi usano l'energia generata nei momenti in cui la richiesta è ridotta per pompare l'acqua in serbatoi posti a una certa quota altimetrica che verrà rilasciata attraverso apposite turbine nei periodi di picco di breve periodo.

Le energie rinnovabili richiedono un maggior accumulo

Con le fonti rinnovabili, invece, è necessario procedere al bilanciamento della rete nei momento in cui la quantità di energia disponibile è minore. Una situazione questa che può verificarsi in qualunque momento e la cui durata non è prevedibile. Poiché per generare la potenza si tende sempre più a privilegiare generatori eolici e fotovoltaici al posto delle tradizionali centrali elettriche alimentate a carbone e a gas, per mantenere la stabilità della rete è necessario ricorrere a un differente approccio per l'immagazzinamento dell'energia. I sistemi di accumulo dell'energia (ESS - Energy Storage Sustem) basati su batterie possono rappresentare una soluzione, essendo in grado di catturare in modo rapido ed efficiente l'energia in eccesso che può essere reintrodotta istantaneamente nella rete quando necessario.

Per i sistemi ESS esiste un vasto mercato potenziale, che spazia dai sistemi “utility-grade” di grandi dimensioni che garantiscono l'accumulato di quantità di energia sufficiente per stabilizzare la rete agli apparati di ridotte dimensioni adatti per uffici e locali commerciali o per uso domestico. In base a un'analisi di mercato condotta da IHS Markit, la quantità di energia accumulata connessa alla rete supererà i 15 GW entro il 2025, con un incremento di un fattore pari a cinque rispetto al dato del 2019.

Il backup fornito dai sistemi ESS di tipo utility-grade riveste un ruolo fondamentale per la rete, che può così reagire in tempi brevi e in modo dinamico al variare delle esigenze di approvvigionamento energetico e ai continui mutamenti della domanda dei consumatori. Ciò richiederà la distribuzione di un gran numero di sistemi di accumulo lungo tutta la rete, solitamente abbinati a generatori che utilizzano rinnovabili.




I sistemi ubicati presso l'utente, spesso definiti sistemi “behind the meter”, possono essere abbinati con un microgeneratore locale (come a esempio una matrice di pannelli fotovoltaici installati sul tetto), consentendo in tal modo agli utenti di trasformarsi in una sorta di singole società di erogazione di servizi capaci di generare e immagazzinare energia per soddisfare i propri fabbisogni. In questo caso per le batterie possono essere usate diverse formulazioni chimiche, incluso il piombo-acido, affidabile e che richiede poca manutenzione. Un sistema residenziale può essere accoppiato in alternata, per cui richiede la presenza di un inverter per alimentare i carichi locali, oppure accoppiato in continua al bus di un microgeneratore fotovoltaico.

Utilizzo e sicurezza

Il bilanciamento delle celle e la gestione della batteria sono operazioni essenziali per garantite la sicurezza e ottimizzare la capacità di accumulo utilizzabile. Un circuito integrato per il monitoraggio della batteria come LTC6810 di Analog Devices è in grado di monitorare fino a sei celle ed è prevista la possibilità di collegare in serie più dispositivi per gestire batterie di maggiori dimensioni.

Progettato in conformità ai requisiti previsti dallo standard di sicurezza ISO 26262 in vigore nel settore automotive, questo dispositivo include il bilanciamento delle celle di tipo passivo e consente la comunicazione su lunghe distanze garantendo un'elevata immunità al rumore. Il sistema di acquisizione dati ad alta tensione MAX17823B di Maxim Integrated prevede commutatori interni per il bilanciamento delle celle e integra funzionalità di diagnostica per soddisfare i requisiti ASIl-D e FMEA. E' possibile collegare in modalità “daisy chain” fino a 32 dispositivi per il monitoraggio di un massimo di 384 celle.

Fonti di backup per i sistemi ESS

Il ricorso alle batterie usate impiegate nei veicoli elettrici è una prassi sicuramente idonea per applicazioni di immagazzinamento di grandi quantità di energia. Le batterie sono in genere ritenute inadatte per l'uso nei veicoli elettrici nel momento in cui la loro capacità scende al disotto dell'80% del valore di capacità nominale. Poichè una riduzione del 20% della capacità non genera il tipico problema di “ansia da autonomia” quanto la batteria viene impiegata in un sistema ESS, l'opportunità di poter riutilizzare le batterie riciclate dai veicoli elettrici è sicuramente interessante. Non bisogna comunque dimenticare due aspetti: il riutilizzo delle batterie comporta un costo e i sistemi ESS contenenti batterie nuove possono risultare più efficienti in termini di occupazione di spazio.

I proprietari di veicoli elettrici, dal canto loro, potrebbero scoprire che l'immagazzinamento di energia a bordo dei loro veicoli svolge un ruolo utile per il bilanciamento della rete. In ogni momento della giornata è presumibile che vi sia un gran numero di veicoli elettrici collegati alla rete e ciascuno di essi si trova in una fase diversa del ciclo di ricarica. La loro capacità potrebbe essere usata come backup aggiuntivo, sia per fornire direttamente la rete sia per soddisfare la domanda proveniente dalle abitazioni dei proprietari delle automobili. Differenti tipi di dispositivi per l'immagazzinamento dell'energia, come a esempio gli UPS usati dalle grandi aziende per fornire la potenza di backup in caso di necessità, potrebbero essere utilizzati per contribuire alla stabilizzazione della rete, ovviamente in cambio di un pagamento.

Considerazioni conclusive

In definitiva, le fonti di energia rinnovabile saranno in grado di fornire una potenza in modo sicuro e affidabile quando e dove richiesto solo se abbinate a un sistema per l'immagazzinamento dell'energia idoneo. L'accumulo di energia è una prassi oramai ben consolidata e ampiamente utilizzata per bilanciare domanda e offerta. Poiché una quota sempre maggiore dell'energia che viene erogata proviene da fonti rinnovabili, è indispensabile poter disporre di riserve di energia sempre più ampie e in grado di reagire in tempi brevi alla variazione della domanda. Ciascuna batteria connessa, sia dal lato del fornitore del servizio sia dal lato utente (behind the meter) può essere considerata come una potenziale fonte di potenza di backup, consentendo ai possessori di risorse quali veicoli elettrici e UPS di svolgere un ruolo attivo nella trasformazione in chiave ecologica della rete.

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