Accumulo e controllo dei carichi nelle abitazioni con impianto FV

PRO

La differenza di valore economico tra l’energia prelevata e quella ceduta alla rete richiede di aumentare l’autoconsumo. Tra le soluzioni c’è l’accumulo, ma la natura discontinua dei carichi elettrici domestici e il carattere di stagionalità della fonte solare non giustifica sempre il loro utilizzo. C’è poi la possibilità di controllare i carichi elettrici. Un articolo dell’ing. Francesco Groppi.

ADV
image_pdfimage_print

Premessa

Le abitazioni dotate di impianto fotovoltaico, come sappiamo, sono in grado di produrre in tutto o in parte il proprio fabbisogno annuo di energia elettrica.

Tuttavia è anche noto che la produzione fotovoltaica e i consumi domestici non sono necessariamente simultanei, anzi lo sono solo saltuariamente, e questo determina un continuo scambio di energia tra l’abitazione e la rete.

In Italia, gli impianti fotovoltaici fino a 500 kWp possono beneficiare dello scambio sul posto, ossia di quel meccanismo che trasforma l’energia immessa in rete in un risparmio sull’importo in bolletta, tuttavia è ben noto che all’energia ceduta è riconosciuto un valore economico molto minore rispetto a quella assorbita.

Sarebbe quindi conveniente ridurre quanto più possibile gli scambi di energia elettrica da e verso la rete e di conseguenza l’accumulo di energia può rappresentare una efficace soluzione.

Infatti, come si può vedere dalla figura 1, la parte eccedente di energia prodotta dal fotovoltaico durante le ore di sole può essere opportunamente immagazzinata per poi essere utilizzata durante le ore serali e notturne, col risultato di ridurre al minimo l’energia scambiata con la rete.

Purtroppo tale immagine, spesso utilizzata in varie forme per fini commerciali, rappresenta uno scenario idilliaco ben lontano dalla realtà. Essa potrebbe casomai essere valida per un aggregato di consumi abitativi con dimensioni minime pari ad almeno un quartiere residenziale, ma anche in questo caso avrebbe comunque con un orizzonte temporale non superiore al mese.

Infatti, come vedremo più avanti, l’andamento giornaliero dei consumi di un’abitazione è molto diverso dall’essere una curva regolare e sinuosa, ma presenta invece dei picchi e degli avvallamenti che variano di giorno in giorno e che sono difficilmente prevedibili. La fonte solare, inoltre, contribuisce all’aleatorietà dell’insieme, alternando spesso i giorni di sole a quelli nuvolosi o di pioggia o anche presentando variazioni consistenti all’interno dello stesso giorno.

Tuttavia, il fattore che rende veramente problematico ottenere un bilancio energetico accettabile è rappresentato dalla differenza stagionale di energia prodotta, la quale, considerando il rapporto tra il mese a più alto irraggiamento e quello più sfavorito, è di almeno 2,5 a 1 nel Sud Italia e va anche oltre nel Nord Italia.

Quindi, a fronte di consumi abitativi mensili abbastanza stabili nel corso dell’anno, pur con qualche accentuazione nei mesi invernali ed estivi, ci troviamo quasi sempre a dover gestire una produzione fotovoltaica sovrabbondante in estate e insufficiente in inverno.

È comunque sempre utile ricordare che queste considerazioni valgono unicamente dal punto di vista del singolo utente, il quale nel nostro Paese si trova ad affrontare una regolamentazione dello scambio sul posto decisamente penalizzante.

Da un punto di vista invece più generale, rappresentato dei vantaggi apportati dal fotovoltaico in termini di risparmio dei combustibili fossili, del migliore utilizzo della rete e, come si può ormai in molti casi constatare, dallo sfruttamento di una fonte energetica economicamente competitiva, l’introduzione di piccoli accumuli su larga scala introduce un fattore stabilizzante che accresce i benefici sia per il singolo utente che per l’intero sistema elettrico.

Esempio di abitazione con impianto FV da 2 kWp e accumulo

Come esempio, si utilizzano i dati di consumo di un’abitazione ubicata nel Nord Italia, raccolti nel 2010 su campioni di 15 minuti, che presentano un valore complessivo di 2.334 kWh.

Per le simulazioni, effettuate con SinSim Storage, sono stati utilizzati i dati Classic PVGIS relativi a Bologna che forniscono un valore di radiazione solare complessivo annuo di 1373 kWh/m2 su una superficie inclinata di 30° e orientata a Sud.

In queste condizioni si può stimare che un impianto fotovoltaico della potenza di 2 kW fornisca 2.197 kWh, pari al 94% del consumo annuo. Per i calcoli sono stati invece utilizzati dei valori medi variabili su base giornaliera. Inoltre, si fa l’ipotesi di utilizzare un accumulo in litio da 2 kWh.

Poiché l’energia complessivamente consumata e quella prodotta all’incirca si equivalgono, ci si aspetta che il comportamento su base mensile in una stagione intermedia si avvicini a quello di figura 1.

Infatti, come si può anche vedere dalla figura 2 basata invece su dati reali, l’energia accumulata nelle ore di produzione viene poi consumata nelle ore serali, durante le quali sono in genere presenti alcuni carichi ricorrenti come l’illuminazione, il televisore e altre utenze tipiche della presenza contemporanea di più persone.

Poiché il grafico di figura 2 rappresenta il risultato dei valori mediati nel mese, esso non riporta ovviamente i valori puntuali relativi all’inserimento e al distacco del sistema di accumulo per ogni singolo giorno.

Si deve quindi concludere che anche tale grafico è in realtà assai poco significativo perché non si riferisce a un comportamento reale, infatti se prendiamo ad esempio un giorno qualsiasi dello stesso mese, come in figura 3, la situazione appare ben diversa.

In questo caso si vede chiaramente che l’accumulo non contribuisce ad attenuare il picco di consumo alle 8.30, il quale subisce comunque un parziale livellamento per effetto del fotovoltaico, ed è in grado di far fronte solo in parte ai picchi serali, i quali si trovano completamente sfasati rispetto alla curva di produzione.

Quindi, a fronte di un fabbisogno di 8,16 kWh per il giorno considerato, risulta comunque necessario acquistare 3,93 kWh dalla rete, ossia quasi la metà del fabbisogno. Le immissioni in rete, inevitabili durante le ore pomeridiane per via della limitata capacità dell’accumulo, ammontano in questo caso a 1,49 kWh a fronte di una produzione netta di 5,81 kWh.

Come è facile intuire, in questo caso sarebbe possibile aumentare la percentuale di autoconsumo incrementando la capacità dell’accumulo fino ad un massimo rappresentato dall’energia netta autoprodotta.

La figura 4 mostra, infatti, il risultato che si otterrebbe portando la capacità dell’accumulo a 3,7 kWh, mentre ulteriori aumenti non comporterebbero però alcun beneficio. Per via dello squilibrio tra energia consumata ed energia prodotta occorre comunque, anche in questo caso, importare 2,52 kWh dalla rete.

Un accumulo di 2 kWh risulta essere comunque sufficiente nei 4 mesi compresi tra novembre e febbraio, dato che in questi periodi la produzione fotovoltaica non sarebbe comunque in grado di caricare un accumulo di capacità maggiore. Si veda ad esempio la figura 5.

Se ora prendiamo in esame il caso opposto, ossia il mese di luglio che mostra il più alto livello di insolazione, possiamo notare che l’energia prodotta giornalmente è in esubero rispetto a quella consumata, tanto che, se consideriamo ad esempio il 28 luglio, registriamo una produzione di 9,70 kWh a fronte di un consumo di 5,03 kWh.

Per via dello sfasamento dei carichi rispetto alla produzione, un accumulo di 2 kWh è tuttavia insufficiente a far fronte a tutti i consumi serali e notturni, come si può vedere dalla figura 6 nella quale 1,21 kWh risultano essere ancora scoperti e quindi prelevati dalla rete elettrica, mentre invece le immissioni in rete ammontano a 5,80 kWh.

Un aumento della capacità dell’accumulo, portato a 3,2 kWh, sarebbe in grado di azzerare i prelievi dalla rete ma, ovviamente, non potrebbe sfruttare del tutto l’energia in eccesso, la quale dovrebbe comunque essere immessa in rete, per un totale di 4,69 kWh.

Infine, se consideriamo il periodo di un anno, la situazione complessiva si presenta come in figura 7, nella quale, come si è visto, l’accumulo da 2 kWh riesce in pratica ad azzerare o quasi le immissioni in rete da novembre a febbraio, ma riduce solo in parte gli scambi nei mesi rimanenti.

Va comunque osservato che, in questo esempio, l’installazione dell’impianto fotovoltaico comporta già di per sé una diminuzione del 32% dei prelievi dalla rete, portando il prelievo complessivo da 2.334 kWh a 1.578 kWh. La presenza dell’accumulo migliora questa situazione, come si può vedere dal grafico 1.

Ad esempio, un accumulo di 2 kWh riduce il prelievo a 1.018 kWh, portando quindi la diminuzione dei prelievi al 56%, ma, come è logico aspettarsi, successivi incrementi della stessa entità non comportano pari benefici.

Infatti, con un accumulo di 4 kWh il prelievo si riduce a 750 kWh, corrispondente a una diminuzione del 67%. Al di là di questa taglia l’andamento tende però ad avvicinarsi ad un valore asintotico, oltre il quale risulta difficile ottenere benefici commisurati con lo sforzo impiegato.

Per quanto ora visto è quindi possibile formulare alcune considerazioni finali:

  • La differenza di valore economico tra l’energia prelevata e quella ceduta giustifica la ricerca di sistemi finalizzati ad aumentare l’autoconsumo. Tra questi, l’accumulo sembra essere il sistema più semplice e efficace.
  • Si osserva tuttavia che la natura discontinua dei carichi elettrici domestici rende alquanto ardua qualsiasi valutazione di autoconsumo basata su dati medi o aggregati.
  • A questo si aggiunge il forte carattere di stagionalità della fonte solare nel nostro Paese, il quale fa sì che il rapporto tra la produzione media nel mese più favorevole e quello meno favorevole sia all’incirca di 3 a 1 per gran parte del territorio, anche se può scendere a valori inferiori in talune località del Sud Italia. Un appiattimento di questo andamento stagionale mediante l’accumulo di tipo elettrochimico risulta a tutt’oggi impraticabile.

Controllo dei carichi

Una volta esaurite le possibilità offerte da un accumulo locale di energia elettrica, il fattore di contemporaneità tra produzione e consumo può essere migliorato agendo sull’andamento dei carichi elettrici interni.

Ovviamente, il beneficio che può essere ottenuto mediante un sistema in grado di agire sui carichi non riguarda i periodi con più basso irraggiamento, nei quali la poca energia fotovoltaica disponibile può essere facilmente gestita dall’accumulo di energia.

Quando invece le dimensioni dell’accumulo non consentono di distribuire nel tempo tutta l’energia fotovoltaica disponibile, un’azione di spostamento temporale di alcuni carichi elettrici potrebbe rappresentare una valida soluzione.

Pertanto, nelle stagioni intermedie, o comunque in quelle giornate in cui la produzione fotovoltaica e i consumi interni all’incirca si equivalgono, si può cercare di spostare i carichi maggiori, come ad esempio la lavabiancheria e la lavastoviglie, nelle ore centrali della giornata, mentre l’accumulo si occuperebbe invece dei carichi indifferibili (illuminazione, PC, televisore, piccoli elettrodomestici. ecc.).

Lo stesso tipo di gestione è possibile nei giorni di massima insolazione, presenti tipicamente in primavera inoltrata ed estate.

In questo caso però ci si trova con un surplus di energia destinato ad essere consegnato alla rete a meno che non si trovino degli utilizzi alternativi. In estate, spesso uno dei carichi elettrici di peso maggiore è rappresentato dal condizionatore, il cui funzionamento però non può però essere differito, o lo può essere solo in parte, a meno che son si ricorra ad accumuli termici in acqua, ghiaccio o altri fluidi con caratteristiche particolari. Tuttavia, nelle giornate con elevato irraggiamento, la produzione fotovoltaica, come si è visto, rimane comunque esorbitante rispetto al fabbisogno interno, per cui sarebbe opportuno trovare degli impieghi aggiuntivi rappresentati ad esempio dalla ricarica di scooter o auto elettriche.

A titolo indicativo, la tabella 1 riassume questi concetti per l’esempio prima visto. I periodi di riferimento possono però cambiare al variare dei numerosi parametri in gioco.

Conviene però sempre evitare di cedere alla tentazione di utilizzare in modo inappropriato l’energia elettrica prodotta in estate, come ad esempio per destinarla ad impieghi termici a bassa temperatura per i quali sarebbero sufficienti dei semplici sistemi a collettori solari di costo e prestazioni decisamente inferiori. Bisogna sempre ricordare che l’energia elettrica, indipendentemente dalla fonte impiegata, è un’energia pregiata estremamente versatile, per la quale, alla peggio, è sicuramente preferibile l’immissione in rete piuttosto che l’impiego in applicazioni di discutibile utilità.

Il controllo dei carichi che è possibile spostare temporalmente dovrebbe avvenire attraverso una semplice interfaccia grafica che suggerisce all’utente di posticipare o, quando possibile, anticipare il funzionamento di alcune importanti utenze.

Si prenda ad esempio la curva di carico giornaliera media delle lavastoviglie presentata nel progetto MICENE (Politecnico di Milano). Si può notare che tale andamento è composto da un picco pomeridiano corrispondente ai lavaggi successivi al pranzo e da un picco serale nel dopocena. Se fosse possibile, come in figura 8, spostare i lavaggi serali nella tarda mattinata del giorno successivo, la maggior parte di questi consumi cadrebbe nel periodo di massima produzione fotovoltaica.

È tuttavia consigliabile evitare di indirizzare con metodi troppo drastici gli utenti ad adottare lo spostamento dei carichi verso orari di maggiore produzione fotovoltaica, o di imporre una rigida programmazione delle operazioni, quale ad esempio quella che si avrebbe con i temporizzatori sulle prese o altri dispositivi di interruzione e comando dell’energia.

Infatti, non è affatto scontato che tutti gli utenti siano in grado di applicare fin dall’inizio tali mutamenti nelle proprie abitudini senza la necessaria gradualità.

È invece senz’altro preferibile incentivare i comportamenti che favoriscono l’autoconsumo di energia suggerendo le azioni necessarie mediante opportune interfacce grafiche che diano all’operatore la possibilità di scegliere tra più opzioni.

È altresì consigliabile poter disporre di informazioni che mostrino in modo semplice e intuitivo i benefici delle scelte effettuate.

Come regola generale si può dire che ad una maggiore facilità e semplicità d’uso corrisponde una maggiore accettazione, soprattutto da parte delle persone che hanno poca familiarità con la tecnologia. Inoltre, ad una migliore presentazione delle informazioni corrisponde generalmente una maggiore motivazione degli utenti ad adottare comportamenti energeticamente consapevoli.

Si ringrazia per il contributo all’articolo l’Ing. Diana Moneta di RSE.

(Articolo originariamente pubblicato su QualEnergia.it il 19 luglio 2017)

ADV
×
0
    0
    Carrello
    Il tuo carrello è vuotoRitorna agli abbonamenti