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

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1 Efficienza dei Sistemi di Accumulo: la Frontiera tra Consumo e Autoconsumo Come massimizzare le prestazioni del tuo sistema di accumulo per renderlo realmente interessante e redditizio per i tuoi clienti Gennaio 2014/ White Paper CalBatt S.r.l. Technest, P.zza Vermicelli, Rende, CS Ph 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... 4 L obiettivo di CalBatt: il Maximum Efficiency Point Tracking... 7 Conclusioni Riferimenti Chi è CalBatt Il white paper discute come la redditività di un Sistema di Accumulo (Energy Storage System, ESS) dipenda fortemente dalla sua efficienza operativa. E riportata un analisi quantitativa che mostra il forte impatto dell efficienza sul periodo di payback e sul ritorno sull investimento, quindi sulla fattibilità per gli utenti finali dell investimento in impianti solari dotati di accumulo. E anche illustrato come, in tipiche condizioni pratiche di carica/scarica, l efficienza operativa reale degli ESS possa essere significativamente più bassa dell efficienza di picco potenzialmente 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 ottimizzatori dinamici intelligenti, capaci di implementare strategie di Maximum Efficiency Point Tracking (MEPT) per portare l efficienza operativa dell ESS 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 ESS al Piombo ed agli Ioni di Litio, i suddetti ottimizzatori dinamici intelligenti possono consentire un incremento fino al 15% dell efficienza di carica, con un aumento significativo della redditività del sistema per gli utenti finali. 2

3 Introduzione Una frazione dell energia usata per caricare la batteria dell ESS viene sprecata anziché autoconsumata, essendo dissipata sotto forma di calore a causa di inefficienze del sistema di accumulo 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 usare l energia prodotta dagli impianti FV per alimentare direttamente i carichi domestici. In questo nuovo scenario, i sistemi di accumulo (Energy Storage System, ESS) 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, esiste un fattore critico da considerare in questo nuovo utilizzo dell energia solare, in quanto in realtà una frazione dell energia usata per caricare la batteria dell ESS viene sprecata anziché autoconsumata, essendo dissipata sotto forma di calore a causa di inefficienze del sistema di accumulo. Ciò può comportare una duplice perdita economica per l utente, in quanto l energia sprecata: sarebbe potuta essere immessa in rete e remunerata in presenza di tariffe feed- in; 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 incentivati per l acquisto di sistemi di accumulo, l ottimizzazione dell efficienza dello storage è uno dei fattori cruciali per rendere l investimento in sistemi FV realmente fattibile per gli utenti finali. Questo aspetto fondamentale sarà discusso in dettaglio nella prossima sezione mediante alcuni esempi pratici. Accumulo ed autoconsumo: il punto di vista dell utente finale Di seguito si analizzerà la redditività di sistemi di accumulo in due scenari differenti: Scenario 1: Case residenziali in Italia. L analisi è effettuata per entrambi i casi di: impianti FV esistenti incentivati secondo il V Conto Energia ; nuovi impianti FV senza incentivi per l autoconsumo e con una tariffa base per l energia immessa in rete garantita dal Gestore del Sistema Elettrico (GSE). Scenario 2: Case residenziali in Germania. L analisi è effettuata per nuovi impianti FV con una tariffa per l energia immessa in rete e senza incentivi per l autoconsumo. 1

4 La Fig. 1 riassume le assunzioni alla base dell analisi relative alle tariffe, agli incentivi ed alle caratteristiche sia di consumo di energia dell utenza che di produzione di energia FV, essendo specificata per quest ultima la quota di autoconsumo naturale (cioè la percentuale di energia FV consumata dall utenza senza ESS) e la quota incrementale di autoconsumo garantita dall uso di sistemi di accumulo [1]- [6]. Scenario 1 (Italia): assunzioni Scenario 2 (Germania): assunzioni Fig. 1. Assunzioni alla base dell analisi per i diversi scenari considerati Gli esempi discussi di seguito si riferiscono alla comparazione, in termini di fattibilità economica, tra quattro situazioni differenti: Casa residenziale senza impianto FV; Casa residenziale con impianto FV; Casa residenziale con impianto FV + ESS: Caso 1. In questo caso, si assume un efficienza di carica dell 80%. Casa residenziale con impianto FV + ESS: Caso 2. In questo caso, si assume un efficienza di carica del 92%, sotto l ipotesi di ottenere, ad esempio, un incremento relativo del 15% dell efficienza ottimizzando le prestazioni dell ESS del caso 1. In particolare, i casi 1 e 2 in cui si considera la presenza di un ESS, sono comparati a parità di: energia autoconsumata, considerando le diverse quantità di energia realmente accumulate nella batteria durante la carica a causa dei diversi valori dell efficienza di carica; efficienza di scarica, che è assunta essere pari all 80% [1] in entrambi i casi allo scopo di concentrare l attenzione soltanto sull impatto dell efficienza sulla redditività del sistema per motivi di chiarezza. 2

5 Come appare dai dati della Fig. 2, i risultati dell analisi mostrano che la maggiore efficienza di carica del caso 2 consente un profitto di circa 40 /anno per l utente finale, con un incremento della redditività annuale dell ESS nell intervallo 34-62%. Scenario 1 (Italia): Analisi della redditività Scenario 2 (Germania): Analisi della redditività Fig. 2. Analisi della redditività del sistema di accumulo nei diversi scenari considerati L aumento delle prestazioni discusso si può tradurre in un differente incremento del ritorno sull investimento (ROI) a seconda del prezzo dell ESS. In una prima analisi, si è ipotizzato un costo dell ESS di 600 /kwh (indicato come prezzo ESS 1). Tuttavia, è stato considerato anche un costo inferiore pari a 300 /kwh (indicato come prezzo ESS 2), sulla base di recenti previsioni riguardanti l andamento del prezzo dei sistemi di accumulo per FV nei prossimi anni [7], [8]. Sotto queste assunzioni, la maggiore efficienza di carica del caso 2 comporta una riduzione del periodo di payback dell ESS nell intervallo 25-38% ed un incremento del ROI a 20 anni nell intervallo 36-80% (Fig. 3). Ovviamente, considerazioni similari si possono applicare all impatto dell efficienza di scarica sulle prestazioni del sistema. Quindi, considerando anche la possibilità di aumentare l efficienza di scarica della batteria, i margini di miglioramento delle prestazioni potrebbero essere anche più elevati di quelli mostrati in precedenza. 3

6 Scenario 1 (Italy): Analisi del periodo di payback e del ROI del sistema di accumulo 3 Scenario 2 (Germania): Analisi del periodo di payback e del ROI del sistema di accumulo Oltre che alla riduzione del costo delle batterie, i produttori di sistemi di accumulo devono lavorare alla massimizzazione dell efficienza del sistema allo scopo di rendere l investimento in ESS realmente fattibile per i loro clienti Fig. 3. Analisi del periodo di payback e del ROI nei diversi scenari considerati In definitiva, l analisi presentata evidenzia chiaramente che, oltre che alla riduzione del costo delle batterie, i produttori di sistemi di accumulo devono lavorare alla massimizzazione dell efficienza del sistema allo scopo di rendere l investimento in ESS realmente fattibile per i loro clienti. 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 massimizzare l efficienza di picco dell ESS, massimizzando l efficienza dei due blocchi principali della catena di accumulo: la batteria e l inverter/charger (indicato semplicemente con inverter nel seguito). Tuttavia, l efficienza di picco dell ESS 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 un efficienza operativa reale dell ESS significativamente inferiore rispetto alla sua efficienza di picco. 4

7 Questo è ciò che accade nelle tipiche situazioni pratiche in cui l ESS è usato semplicemente come un serbatoio per la potenza FV in eccesso. 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 interessarsi se l ESS lavora o meno nelle sue condizioni operative ottimali. Per evidenziare il problema, la Fig. 4 mostra un esempio concettuale di cosa può accadere, durante un processo di carica, all efficienza operativa reale di un sistema i cui inverter e batteria sono caratterizzati rispettivamente da un efficienza massima del 95% e del 97%, che comportano quindi un efficienza di picco dell ESS del 92%. Fig. 4. Esempio concettuale di andamento dell efficienza operativa durante un processo di carica Durante l evoluzione del processo di carica, la variazione dello stato di carica (State of Charge, SOC) della batteria comporta un cambiamento continuo delle caratteristiche dell ESS. Se la carica non è effettuata con cura, l efficienza operativa reale sarà inevitabilmente più bassa dell efficienza di picco, eccetto nel caso di condizioni fortuite in cui la potenza disponibile per la carica 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. Nell esempio grafico di Fig. 4, questo fenomeno ricorre solo una volta durante il singolo processo di carica a valori intermedi del SOC, ma in generale può ricorrere a differenti livelli del SOC e per durate temporali differenti a seconda di diversi fattori, così come può anche non ricorrere mai durante la carica. 5

8 Ovviamente, il problema discusso può rendere gli sforzi progettuali dei produttori di inverter e batterie 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 essere in grado di ottimizzare realmente le prestazioni dell ESS sul campo per accrescere la soddisfazione dei clienti. Ciò può essere ottenuto soltanto fissando profili di carica (scarica) ottimali che consentono di spingere l efficienza operativa dell ESS realmente ai livelli dell efficienza di picco raggiungibile dal sistema (Fig.5). Dopo avere costruito dispositivi capaci di elevate prestazioni, è cruciale essere in grado di ottimizzare realmente le prestazioni dell ESS sul campo per accrescere la soddisfazione dei clienti Fig. 5. Esempio dell effetto di strategie MEPT sull efficienza operativa dell ESS Sfortunatamente, non esiste una sorta di regola aurea per selezionare a priori un profilo di carica (scarica) che sia buono ogni giorno per qualunque ESS, in quanto il profilo ottimale dipende in maniera complessa da: le caratteristiche della particolare accoppiata inverter/batteria dell ESS, 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. Similmente a quanto accade con pannelli FV, la massimizzazione dell efficienza operativa dell ESS può essere ottenuta quindi soltanto implementando strategie di Inseguimento del Punto di Massima Efficienza (Maximum Efficiency Point Tracking, MEPT) capaci di: 6

9 monitorare sul campo le caratteristiche reali degli specifici inverter e batteria dell ESS utilizzato; effettuare un profilo di carica (scarica) ottimale su misura per lo specifico ESS nelle particolari condizioni in cui sta operando. A questo scopo, i tipici strumenti esistenti come i misuratori di energia sono praticamente inutili, in quanto non forniscono un idea chiara di come ottimizzare in maniera sistematica e dinamicamente ogni profilo di carica (scarica) del sistema di accumulo. Quindi, l implementazione di un ESS che mira ad essere realmente appetibile per l utente finale, richiede ulteriormente la presenza essenziale di una nuova tipologia di ottimizzatori dinamici intelligenti capaci di realizzare opportune strategie MEPT. L obiettivo di CalBatt: il Maximum Efficiency Point Tracking CalBatt ha risposto all urgente bisogno di ottimizzatori dinamici intelligenti, sviluppando soluzioni innovative basate su un metodo proprietario che consente, per ogni specifico ESS, 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 ESS 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 operativa dell accumulo, tenendo conto della disponibilità di potenza FV e della richiesta di potenza dei carichi. Le soluzioni CalBatt sono concepite per essere uno strumento decisionale complementare da integrare facilmente con le altre funzionalità già offerte dagli ESS, fornendo il link ancora mancante tra convertitori elettronici di potenza, batterie e sistemi intelligenti di gestione dell energia (home energy management). Esse sono offerte ai produttori di ESS come schede elettroniche add- on, che possono essere customizzate per essere ospitate direttamente nell inverter o dove si ritiene più conveniente. Per esempio, la Fig. 6 mostra gli schemi a blocchi relativi alle possibili connessioni di moduli CalBatt all interno di ESS sia nel caso di retrofitting di impianti FV mediante l aggiunta di inverter/charger bidirezionali (Fig. 6a), che nel caso di nuovi impianti FV in cui l ESS è direttamente connesso in DC (Fig. 6b). Mediante un semplice canale di comunicazione per lo scambio di dati tra il modulo CalBatt e l inverter (o il DC/DC solar charge controller), è possibile aggiungere importanti funzionalità intelligenti all ESS, quali: 7

10 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 predire, ogni qualvolta è necessario, il tempo di carica e l efficienza relativa ad un dato profilo di carica; pianificare ogni giorno il migliore profilo di carica 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 comprata 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, gli ESS che incorporano 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 durante la carica (e durante la scarica qualora sia possibile) per massimizzare la redditività per l utente finale. PV array DC bus AC bus (a) DC/AC Inverter Loads Grid DC/DC Solar Charge Controller Bidirectional Inverter/Charger CalBatt module Communication channel DC/AC Inverter Battery PV array Communication channel Grid Loads (b) CalBatt module Battery Fig. 6. Possibili connessioni dei moduli CalBatt nei casi di: a) retrofitting di impianti FV esistenti in cui è aggiunto un inverter/charger bidirezionale; b) nuovi impianti FV in cui l ESS è connesso in DC 8

11 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 operativa del processo di carica di quattro ESS differenti, che sono stati implementati usando lo stesso caricabatterie commerciale (un UNI prodotto da EDP S.r.l.) con quattro pacchi batterie differenti: ESS 1: pacco batterie 48V- 41Ah al Piombo composto da 4 batterie Sonneschein SB12/41 (12V 41Ah); ESS 2: pacco batterie 48V- 42Ah al Piombo composto da 4 batterie FIAMM FGC24207 (12V 42Ah); ESS 3: pacco batterie 38.4V- 40Ah agli Ioni di Litio (LIFeYPO 4 ) composto da 12 batterie Winston WB- LFP040AH (3.2V 40Ah); ESS 4: pacco batterie 38.4V- 40Ah agli Ioni di Litio (LIFePO 4 ) composto da 12 batterie Calb- SE40AHA (3.2V 40Ah). Come discusso in precedenza, una delle funzionalità garantite dalle soluzioni CalBatt è la possibilità di predire accuratamente il comportamento del sistema di accumulo per ogni possibile profilo di carica. Per esempio, questo è mostrato in Fig. 7, che riporta l andamento misurato e quello predetto dell energia assorbita dalla rete da parte del caricabatterie in funzione dello stato di carica (SOC) della batteria, durante un dato processo di carica dell ESS 1 effettuato partendo da un SOC iniziale del 50%. In questo caso, il massimo errore nella stima è stato inferiore all 1%. In generale, nei diversi test effettuati, è stato rilevato un errore massimo di circa il 5% nella stima del tempo di carica e dell energia richiesta Fig. 7. Comparazione tra i valori misurati e predetti dell energia assorbita dal caricabatterie durante un processo di carica dell ESS 1 in funzione del SOC della batteria 9

12 per completare il processo di carica. Le capacità di predizione del metodo CalBatt consentono di avere una visione chiara di come ottimizzare in maniera sistematica il profilo di carica per ogni specifico ESS, consentendo un risparmio di energia considerevole. Ciò è mostrato nella Tabella 1, che compara i quantitativi di energia spesi dai differenti ESS per completare due diversi processi di carica, effettuati partendo dallo stesso SOC iniziale del 50% ed usando due diversi profili di carica: un profilo di carica non ottimale scelto alla cieca ; un profilo di carica ottimizzato dinamicamente, determinato sulla base del metodo CalBatt per implementare una strategia MEPT. Tabella 1: Risultati dei test sperimentali effettuati su quattro diversi ESS Batteria Piombo Sonneschein SB12/41 (48V- 41Ah ) Profilo di carica OTTIMO Non ottimo Energia dalla sorgente (kwh) Aumento di efficienza CalBatt 13.0% Piombo FIAMM FGC24207(48V 42Ah) OTTIMO Non ottimo % LiFeYPO4 Winston WB- LiFeYPO4 (38.4V- 40Ah) OTTIMO Non ottimo % LiFePO4 Calb SE40AHA (38.4V- 40Ah) OTTIMO Non ottimo % Come evidenziato dai dati in tabella, la strategia di gestione ottimale garantita dalle soluzioni CalBatt può comportare un incremento dell efficienza operativa dell ESS fino al 15% (il miglioramento può essere persino superiore nei casi in cui l approccio possa essere esteso anche alla fase di scarica della batteria). 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. Sulla base dell analisi mostrata in precedenza, l aumento misurato del 15% dell efficienza, ottenuto aggiungendo le soluzioni CalBatt all ESS, può garantire: un aumento della redditività fino al 60%; una riduzione del periodo di payback fino al 40%; un aumento del ROI fino all 80%, compiendo quindi un decisivo passo in avanti nel rendere l investimento in impianti FV dotati di accumulo realmente interessante per gli utenti finali. 10

13 Gli ESS 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 Conclusioni La redditività, il periodo di payback ed il ritorno sull investimento in sistemi di accumulo (Energy Storage System, ESS), sono affetti in maniera significativa dall efficienza del sistema. Per questa ragione, insieme alla riduzione del costo delle batterie, i produttori di ESS dovrebbero lavorare molto attentamente alla massimizzazione dell efficienza energetica dell accumulo per rendere l investimento in ESS realmente fattibile e 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 con ottimizzatori dinamici 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 ESS, nelle particolari condizioni operative in cui sta lavorando. Le soluzioni CalBatt rispondono a questa necessità mediante un metodo proprietario 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, il metodo CalBatt può garantire un incremento dell efficienza operativa fino al 15% durante i processi di carica. Il metodo è applicabile anche al processo di scarica della batteria nei casi in cui questo sia fattibile da un punto di vista pratico. Grazie a queste caratteristiche uniche, gli ESS 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 del sistema di accumulo per gli utenti finali. 11

14 Riferimenti [1] Residential Energy Storage Systems, ANIE, [2] SMA Smart Home. Smart energy management systems for energy storage applications, SMA Solar Technology, [3] Incentivi per sistemi FV in Italia secondo il V ContoEnergia, [4] Tariffe feed- in minime garantite dal GSE, 2013 [5] Statistiche dei prezzi di elettricità e gas, Eurostat European Commission, [6] The German Feed- in Tariff: Recent Policy Changes, Deutsche Bank Group, [7] Energy Storage in Australia Commercial Opportunities, Barriers and Policy Options, Marchment Hill Consulting, 2013 [8] Large scale Factories for Li- Ion Batteries, M+W Group, Chi è CalBatt CalBatt è una società spin- off company dell Università della Calabria. L idea di business è nata dalla volontà di valorizzare il know- how e la proprietà intellettuale sviluppata nella continua ricerca accademica, riconosciuta a livello internazionale, dei fondatori della Società. Nel 2013, CalBatt è stata premiata nella competizione Enel Lab. CalBatt punta a diventare un azienda leader nel settore dei sistemi di accumulo per impieghi di storage stazionario e trasporto elettrico, fornendo tecnologie innovative per l analisi dinamica e l ottimizzazione dell efficienza e della redditività dell accumulo. La strategia della Società è costruire partnership forti di lungo periodo con i migliori operatori e trend setters nei settori dell Energy Storage e della Mobilità Elettrica, fornendo le soluzioni più performanti per migliorare i prodotti dei propri partners. 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. 12