Efficienza dei Sistemi di Accumulo: la Frontiera tra Consumo e Autoconsumo

Transcript

1 Efficienza dei Sistemi di Accumulo: la Frontiera tra Consumo e Autoconsumo Come massimizzare l efficienza e la redditività del tuo sistema di accumulo CalBatt S.r.l. Technest, P.zza Vermicelli, Rende, CS Tel info@calbatt.com

2 Indice Introduzione... 1 Accumulo ed autoconsumo: il punto di vista dell utente finale... 1 L efficienza di picco conta, ma non è tutto... 2 L obiettivo di CalBatt: il Maximum Efficiency Point Tracking... 5 Conclusioni... 9 Chi è CalBatt Il white paper discute la dipendenza della redditività di un sistema di accumulo dalla sua efficienza. E riportata un analisi quantitativa che mostra il forte impatto dell efficienza sul ROI di un impianto solare dotato di accumulo. E anche illustrato come, in tipiche condizioni pratiche di carica/scarica, l efficienza reale dell accumulo possa essere significativamente più bassa dell efficienza di picco raggiungibile dal sistema, vanificando in parte gli sforzi dei produttori nella progettazione di inverter e batterie ad alte prestazioni. Questo problema può essere risolto equipaggiando il sistema di accumulo con sistemi di energy management (EMS) intelligenti, capaci di implementare strategie di Maximum Efficiency Point Tracking (MEPT) per portare l efficienza reale dell accumulo sempre ai massimi livelli. Come mostrato da test sperimentali, effettuati da CalBatt con la collaborazione della Divisione Ingegneria e Ricerca di Enel S.p.a su diversi sistemi di accumulo commerciali al Piombo ed agli Ioni di Litio, l uso di EMS intelligenti può consentire un incremento fino al 15% dell efficienza reale dell accumulo, con un aumento significativo della redditività del sistema per gli utenti finali. 1

3 Introduzione Spendere 1 kwh per caricare il sistema di accumulo durante le ore di produzione da fonti rinnovabili non significa aumentare realmente l'autoconsumo di 1 kwh Autoconsumo è la parola d ordine per il mercato del solare al giorno d oggi. Infatti, a causa della continua riduzione delle tariffe per l energia immessa in rete (tariffe feed-in) e dell aumento del costo dell elettricità, sta diventando sempre più conveniente autoconsumare l energia prodotta dagli impianti FV per alimentare i carichi dell utenza. In questo nuovo scenario, i sistemi di accumulo sono diventati un fattore cruciale per favorire una nuova esplosione del mercato del solare, consentendo di aumentare l autoconsumo usando parte dell energia FV prodotta anche di notte. Tuttavia, spendere 1 kwh per caricare il sistema di accumulo durante le ore di produzione da fonti rinnovabili non significa aumentare realmente l'autoconsumo di 1 kwh, in quanto una frazione dell'energia utilizzata è sprecata nel corso di un ciclo di carica/scarica della batteria a causa di inefficienze del sistema di accumulo. Ciò può comportare una duplice perdita economica per l utente, in quanto l energia sprecata: potrebbe essere immessa in rete e remunerata; è ovviamente inutilizzabile per alimentare i carichi notturni, e quindi deve essere rimpiazzata da un medesimo ulteriore quantitativo di energia comprata dalla rete. Pertanto, oltre alla riduzione del costo delle batterie ed a possibili schemi incentivanti per l acquisto di sistemi di accumulo, l ottimizzazione dell efficienza dell accumulo è uno dei fattori cruciali per massimizzare la redditività dell investimento in sistemi FV dotati di accumulo. Questo aspetto fondamentale sarà discusso in dettaglio nella prossima sezione mediante un esempio pratico. Accumulo ed autoconsumo: il punto di vista dell utente finale Di seguito si analizzerà la redditività di un impianto FV di 6kWp dotato di accumulo. In Fig. 1 sono riassunte le assunzioni alla base dell analisi relative al costo dell impianto, alle tariffe, agli incentivi, al consumo di energia dell utenza ed alla produzione di energia FV, essendo specificata per quest ultima la quota di autoconsumo naturale (cioè la percentuale di energia FV consumata dall utenza senza accumulo). Gli esempi discussi di seguito si riferiscono alla comparazione, in termini di redditività, tra due casi differenti in termini di efficienza roundtrip (andata e ritorno) del sistema di accumulo installato: caso 1: efficienza roundtrip dell accumulo=70%; caso 2: efficienza roundtrip dell accumulo=85%. 1

4 UTENZA IMPIANTO FV ACCUMULO Consumo annuale di energia: 6800 kwh Potenza installata: 6 kwp Capacità: 22 kwh Tariffa per l acquisto di energia: 0,20 /kwh Produzione annuale: 7800 kwh DOD: 50% Caso 1: 70% Autoconsumo naturale: 40% Efficienza roundtrip Caso 2: 85% Costo totale impianto: Scambio sul posto Detrazione IRPEF 50% Analisi della redditività Caso 1 Efficienza 70 % Guadagno netto in 20 anni Caso 2 Efficienza 85 % ROI annuale 5,5% 6,2% Oltre alla riduzione del costo delle batterie, i produttori di sistemi di accumulo ed i system integrators devono lavorare alla massimizzazione dell efficienza del sistema allo scopo di aumentare la redditività dei sistemi di accumulo Fig. 1. Analisi della redditività dell impianto in funzione dell efficienza dell accumulo Come appare dai dati della Fig. 1, i risultati dell analisi mostrano che la maggiore efficienza del caso 2 consente un aumento del guadagno netto in 20 anni di circa 3700 (pari ad un aumento del 13,6% del guadagno netto), con un incremento del ROI annuo di circa lo 0,7%. In definitiva, l analisi presentata evidenzia chiaramente che, oltre che alla riduzione del costo delle batterie, i produttori di sistemi di accumulo ed i system integrators devono lavorare alla massimizzazione dell efficienza del sistema allo scopo di aumentare la redditività dei sistemi di accumulo. Per questo motivo, la prossima sezione sarà dedicata all analisi di strategie per massimizzare l efficienza dell accumulo. L efficienza di picco conta, ma non è tutto Indubbiamente, il primo passo verso l ottimizzazione dell efficienza dei sistemi di accumulo è massimizzarne l efficienza di picco, massimizzando l efficienza dei due blocchi principali della catena di accumulo: la batteria e l inverter. Tuttavia, l efficienza di picco è soltanto una misura delle massime prestazioni ottenibili dal sistema quando la batteria e l inverter lavorano nelle loro condizioni operative ottimali. Nelle situazioni reali, i componenti del sistema possono lavorare invece lontano dalle loro regioni operative ottimali durante i normali processi di carica/scarica, portando ad 2

5 Efficienza reale dell accumulo un efficienza reale dell accumulo significativamente inferiore rispetto alla sua efficienza di picco. Questo è ciò che accade nelle tipiche situazioni pratiche in cui il sistema di accumulo è gestito semplicemente come un serbatoio per la potenza FV in eccesso dal sistema di Energy Management (EMS), che decide istante per istante i flussi di potenza tra sorgenti, carichi ed accumulo. In questi casi, infatti, i profili della potenza di carica/scarica sono adattati normalmente alla cieca alla potenza istantanea generata dall impianto FV ed alla richiesta dei carichi domestici, senza porre particolare attenzione al fatto che il sistema di accumulo lavori o meno nelle sue condizioni operative ottimali. Per evidenziare il problema, la Fig. 2 mostra un esempio concettuale di cosa può accadere con un EMS convenzionale, durante un intero processo di carica/scarica, all efficienza operativa reale di un sistema di accumulo. Evoluzione del processo di carica/scarica Fig. 2. Esempio di andamento dell efficienza reale dell accumulo durante un processo di carica/scarica gestito da un EMS tradizionale Durante l evoluzione del processo di carica/scarica, la continua variazione delle condizioni operative (soprattutto dello stato di carica della batteria) comporta un cambiamento continuo delle caratteristiche del sistema di accumulo. Se il sistema di accumulo non è gestito con cura, l efficienza operativa reale sarà normalmente più bassa dell efficienza di picco, eccetto nel caso di condizioni fortuite in cui la potenza di carica/scarica scelta è casualmente proprio quella che fa in modo che l inverter e la batteria lavorino nelle loro regioni di funzionamento ottimali in quello specifico momento. 3

6 Efficienza reale dell accumulo Come dimostrato da test sperimentali, il fenomeno discusso può portare un sistema di accumulo dotato di batterie di alta qualità e di un inverter con un efficienza di picco pari al 95%, potenzialmente capace di raggiungere un efficienza massima roundtrip dell 85%, ad avere un efficienza roundtrip reale di circa il 70% (0,70 kwh realmente disponibili dalla batteria, e quindi realmente autoconsumati, per 1 kwh speso per la ricarica della batteria). Ovviamente, questo problema può rendere gli sforzi dei costruttori dei sistemi di accumulo e dei system integrators meno fruttuosi di quanto ci si aspetti in termini di denaro nelle tasche dell utente finale. Pertanto, dopo avere costruito dispositivi capaci di elevate prestazioni, è cruciale avere un EMS intelligente in grado di ottimizzare realmente le prestazioni del sistema di accumulo sul campo. Ciò può essere ottenuto soltanto fissando profili di carica/scarica ottimali che consentono di spingere l efficienza reale ai livelli dell efficienza di picco raggiungibile dal sistema di accumulo (Fig. 3). Dopo avere costruito dispositivi capaci di elevate prestazioni, è cruciale avere un EMS in grado di ottimizzare realmente le prestazioni del sistema di accumulo sul campo Evoluzione del processo di carica/scarica Fig. 3. Esempio dell effetto di strategie MEPT sull efficienza reale dell accumulo Sfortunatamente, non esiste una sorta di regola aurea per selezionare a priori un profilo di carica/scarica che sia buono ogni giorno per qualunque sistema di accumulo, in quanto il profilo ottimale dipende in maniera complessa da: le caratteristiche della particolare accoppiata inverter/batteria, che in generale sono anche affette dall invecchiamento e dalla storia precedente dei dispositivi; parametri che cambiano continuamente, quali lo stato di carica della batteria, condizioni ambientali, la potenza disponibile dall impianto FV e quella richiesta dai carichi domestici. 4

7 Similmente a quanto accade con pannelli FV, la massimizzazione dell efficienza dell accumulo può essere ottenuta quindi soltanto implementando strategie di Inseguimento del Punto di Massima Efficienza (Maximum Efficiency Point Tracking, MEPT) capaci di: monitorare sul campo le caratteristiche reali degli specifici inverter e batteria utilizzati; effettuare profili di carica/scarica ottimali su misura per lo specifico sistema di accumulo nelle particolari condizioni in cui sta operando. Pertanto, la realizzazione di un sistema di accumulo che mira ad essere realmente appetibile per l utente finale, richiede ulteriormente la presenza essenziale di un EMS intelligente capace di realizzare opportune strategie MEPT. L obiettivo di CalBatt: il Maximum Efficiency Point Tracking CalBatt ha risposto all urgente bisogno di EMS intelligenti, sviluppando una tecnologia proprietaria, brevettata e premiata a livello internazionale, che consente, per ogni specifico sistema di accumulo, di: analizzare dinamicamente le prestazioni della particolare accoppiata inverter/batteria in tempo reale, ogni qualvolta sia richiesto e durante l intera vita del sistema; predire come l accumulo si comporterebbe durante ogni processo di carica (scarica) in ogni possibile condizione operativa; effettuare una strategia MEPT, fissando automaticamente in tempo reale i settaggi dell inverter per massimizzare l efficienza reale dell accumulo, tenendo conto della disponibilità di potenza FV e della richiesta di potenza dei carichi. La tecnologia CalBatt è implementata dallo storage controller NomoStor, che è una scheda elettronica di espansione appositamente ideata per i costruttori di sistemi di accumulo. NomoStor è progettato per essere integrato direttamente negli EMS dei nostri clienti (Fig. 4a), allo scopo di dettare le regole all EMS per effettuare quotidianamente una gestione ottimale della tensione e della corrente sulla batteria durante i cicli di carica/scarica. L offerta di CalBatt non è però solo rivolta ai costruttori di sistemi di accumulo, ma anche ai system integrators che utilizzano sistemi di accumulo di terze parti. Per loro CalBatt ha realizzato MaeStor, un EMS completo intelligente da abbinare al sistema di accumulo (Fig. 4b), che integra al suo interno un dispositivo NomoStor ed altri dispositivi dotati di funzionalità aggiuntive, per il monitoraggio e la gestione 5

8 perfettamente coordinata, efficiente e redditizia di tutti i flussi energetici tra sorgenti di energia, carichi e sistema di accumulo. FV Carichi Rete Controllo a) FV EMS di terze parti Inverter con accumulo Carichi Rete Controllo b) Inverter con accumulo Fig. 4. Utilizzo delle soluzioni CalBatt: 4a) NomoStor integrato all interno di un EMS di terze parti che controlla il sistema di accumulo: 4b) NomoStor integrato in MaeStor, l EMS CalBatt per una gestione ottimale del sistema di accumulo Grazie all utilizzo delle soluzioni CalBatt, è possibile pianificare ogni giorno il migliore profilo di carica/scarica sulla base delle specifiche necessità dell utente, di previsioni meteo e dei carichi, ecc., allo scopo di ottenere sempre il bilancio più conveniente tra l energia immessa in rete, l energia autoconsumata e quella acquistata dalla rete di notte. In altre parole, così come gli odierni sistemi FV più avanzati offrono la possibilità di traslare nel tempo i carichi per aumentare l autoconsumo, i sistemi di accumulo che incorporano le soluzioni CalBatt possono offrire la possibilità unica di usare l accumulo 6

9 non più come un semplice serbatoio per l energia in eccesso prodotta dall impianto FV, ma come un ulteriore dispositivo intelligente la cui potenza può essere modulata in maniera ottimale durante la carica e la scarica per massimizzare l autoconsumo reale e la redditività per l utente finale (Fig. 5). 1 kwh 0,70 kwh EMS tradizionale FV Carico Carica Scarica 1 kwh 0,85 kwh EMS con CalBatt NomoStor Le soluzioni CalBatt possono offrire la possibilità unica di usare l accumulo non più come un semplice serbatoio per l energia in eccesso prodotta dall impianto FV, ma come un ulteriore dispositivo intelligente la cui potenza può essere modulata in maniera ottimale Fig. 5. Esempio di ottimizzazione della gestione del sistema di accumulo effettuata da un EMS che integra CalBatt NomoStor rispetto ad un EMS tradizionale Per dimostrare l efficacia della tecnologia sviluppata, CalBatt ha effettuato test sperimentali con la collaborazione della Divisione Ingegneria e Ricerca di Enel S.p.a. In questi test, le soluzioni CalBatt sono state utilizzate per massimizzare l efficienza di quattro sistemi di accumulo commerciali, implementati usando lo stesso inverter con quattro pacchi batterie differenti: Sistema 1: pacco batterie 48V-41Ah al Piombo composto da 4 batterie Sonneschein SB12/41 (12V 41Ah); FV Carico Carica Scarica Sistema 2: pacco batterie 48V-42Ah al Piombo composto da 4 batterie FIAMM FGC24207 (12V 42Ah); Sistema 3: pacco batterie 38.4V-40Ah agli Ioni di Litio (LIFeYPO 4 ) composto da 12 batterie Winston WB-LFP040AH (3.2V 40Ah); Sistema 4: pacco batterie 38.4V-40Ah agli Ioni di Litio (LIFePO 4 ) composto da 12 batterie Calb-SE40AHA (3.2V 40Ah). 7

10 Come evidenziato dai dati in tabella 1, la strategia di gestione ottimale garantita dagli EMS che inglobano la tecnologia CalBatt può comportare un incremento dell efficienza reale dell accumulo fino al 15%. Ciò consente di risparmiare un notevole quantitativo di energia, che può essere venduta alla rete o realmente autoconsumata per alimentare i carichi, e che si può tradurre direttamente in un aumento significativo del profitto per l utente finale. Tabella 1: Risultati dei test sperimentali effettuati su quattro diversi sistemi di accumulo Batteria Piombo Sonneschein SB12/41 (48V-41Ah ) Piombo FIAMM FGC24207(48V 42Ah) LiFeYPO4 Winston WB- LiFeYPO4 (38.4V- 40Ah) LiFePO4 Calb SE40AHA (38.4V-40Ah) EMS CalBatt Tradizionale CalBatt Tradizionale CalBatt Tradizionale CalBatt Tradizionale Aumento dell efficienza reale dell accumulo garantito da CalBatt 13.0% 15.1% 13.6% 12.2% Sulla base dell analisi mostrata in precedenza, l aumento del 15% dell efficienza ottenuto attraverso l utilizzo delle soluzioni CalBatt, può infatti garantire: un aumento della redditività fino al 13,6%; un aumento del ROI annuo fino allo 0,7%, compiendo quindi un notevole passo in avanti nel rendere l investimento in impianti FV dotati di accumulo realmente interessante per gli utenti finali. 8

11 Conclusioni I sistemi di accumulo che incorporano le soluzioni CalBatt possono garantire la possibilità di raggiungere ogni giorno il bilancio più conveniente tra energia venduta alla rete, energia autoconsumata ed energia comprata dalla rete di notte La redditività dell investimento in sistemi di accumulo è affetta in maniera significativa dall efficienza dell accumulo. Per questa ragione, insieme alla riduzione del costo delle batterie, i produttori di sistemi di accumulo ed i system integrators devono lavorare molto attentamente alla massimizzazione dell efficienza energetica, al fine di rendere l investimento in sistemi di accumulo realmente redditizio per i loro clienti. A questo scopo, oltre che ottimizzare la progettazione degli inverter e delle batterie, è fondamentale dotare il sistema di accumulo di EMS intelligenti, capaci di implementare sul campo strategie di Inseguimento del Punto di Massima Efficienza (Maximum Efficiency Point Tracking (MEPT)), per garantire sempre profili di carica e scarica ottimizzati su misura per lo specifico sistema, nelle particolari condizioni operative in cui sta lavorando. Le soluzioni CalBatt rispondono a questa necessità mediante una tecnologia proprietaria che consente di analizzare le caratteristiche reali di ogni elemento della catena di accumulo, e di pianificare quotidianamente la strategia di gestione ottimale del sistema sulla base delle particolari condizioni operative giornaliere. Sulla base di test sperimentali effettuati da CalBatt con la collaborazione della Divisione Ingegneria e Ricerca di Enel S.p.a, le soluzioni CalBatt possono garantire un incremento dell efficienza reale dell accumulo fino al 15%. Grazie a queste caratteristiche uniche, i sistemi di accumulo che incorporano le soluzioni CalBatt possono garantire la possibilità di raggiungere ogni giorno il bilancio più conveniente tra energia venduta alla rete, energia autoconsumata ed energia comprata dalla rete di notte, consentendo un incremento significativo della redditività dell impianto per gli utenti finali. 9

12 Chi è CalBatt CalBatt è una società spin-off dell'università della Calabria-Italia. La Società è stata fondata nel 2011 per valorizzare il know-how e la proprietà intellettuale nel campo dei sistemi elettronici, sviluppati dai fondatori durante la loro continua attività di ricerca accademica riconosciuta a livello internazionale. Nel 2011, CalBatt è stata selezionata come miglior idea imprenditoriale al concorso Techgarage, ed è stata finalista Premio Innovazione italiana. Nel 2013, CalBatt ha vinto il concorso Enel Lab. Nel 2014, CalBatt si è classificata nella top 10 delle aziende innovative più interessanti al Munich Cleantech Innovation Award ed ha vinto il "Best Presentation Award" al Cleantech Summit di Rotterdam. Grazie al suo metodo pionieristico brevettato per l'analisi e l'ottimizzazione delle prestazioni dinamiche dei sistemi di accumulo, CalBatt offre ai propri partner uno strumento complementare innovativo per aumentare l'efficienza dei sistemi di accumulo e di ricarica per veicoli elettrici. Per scoprire come il tuo business può beneficiare dell utilizzo delle soluzioni CalBatt, contattaci al o visita: CalBatt è un marchio registrato di CalBatt Srl. Gli altri marchi sono di proprietà dei rispettivi proprietari. 10