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Fotovoltaico con sistema di accumulo per autoconsumo: architettura del sistema, criteri di dimensionamento e criticità

Una panoramica sui sistemi di accumulo per autoconsumo degli impianti fotovoltaici, dal funzionamento, al dimensionamento fino alla descrizione delle possibili criticità riscontrate.

Nel panorama degli impianti fotovoltaici, ad oggi, i sistemi con accumulo per autoconsumo rappresentano la tecnologia più diffusa ed efficiente perché consentono di sfruttare in modo permanente l’energia rinnovabile della radiazione solare per produrre elettricità, garantendo l’indipendenza energetica e il risparmio economico in un contesto variabile e influenzato dal costo elevato dell’energia.

Questo articolo descrive le principali peculiarità e criticità della suddetta soluzione impiantistica, inquadrandola nello scenario più ampio degli impianti fotovoltaici e delle altre soluzioni presenti di cui si ripropone architettura di sistema, meccanismi di funzionamento e parametri di dimensionamento.

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I vantaggi del sistema di accumulo per autoconsumo

Con il termine di autoconsumo fotovoltaico si intende la possibilità di consumare in loco l'energia elettrica prodotta dall'impianto fotovoltaico installato per far fronte ai propri fabbisogni energetici.

L’autoconsumo può essere immediato o differito. Nel primo caso l’energia elettrica è consumata subito dopo essere stata prodotta, quindi durante le ore diurne; nel secondo caso, invece, è possibile consumare l’energia prodotta anche in un secondo momento ma per farlo è necessario prevedere un sistema di accumulo a cui poter attingere quando l’impianto, in assenza della radiazione solare, non è in grado di produrre energia elettrica.

In media, un impianto fotovoltaico senza un sistema di accumulo permette un autoconsumo che arriva al 30% dell’energia prodotta. Questa percentuale può essere leggermente incrementata modificando alcune abitudini in casa, ad esempio concentrando i consumi nelle ore diurne anziché la sera; tuttavia, i maggiori consumi si verificano la sera quando l’impianto fotovoltaico non è più in grado di produrre energia.

A tale proposito, quindi, l’impiego di sistemi di accumulo risulta fondamentale in quanto consente di soddisfare comunque i fabbisogni energetici, portando la percentuale di autoconsumo anche all’80% di quanto prodotto e riducendo al mimino il prelievo dalla rete elettrica nazionale.

Un impianto completamente indipendente dalla rete elettrica nazionale, che fa riferimento ai soli processi dell’autoconsumo e all’utilizzo di sistemi di accumulo per immagazzinare il surplus di energia prodotta da utilizzare nei momenti di necessità, è definito “ad isola” o “stand alone”.

Questa soluzione consente di mantenere un costo dell’energia costante durante la vita dell’impianto che, non dipendendo dal costo di gas o petrolio, non subisce particolari oscillazioni di prezzo.

L’energia che non viene consumata immediatamente o conservata in batterie può essere, inoltre, immessa nella rete nazionale (e prelevata se necessario) in cambio di una valorizzazione economica, cioè di una riduzione del costo al kWh dell’elettricità acquistata dal Gestore tramite lo scambio sul posto. Un impianto che presuppone questo scambio energetico bidirezionale con la rete elettrica nazionale viene definito come “grid connected”.

Tuttavia, il rimborso per l’energia immessa in rete non va oltre il 50 – 70 % del costo totale delle bollette.

In termini di convenienza e ritorno dell’investimento, quindi, i sistemi di accumulo per autoconsumo si confermano una soluzione più vantaggiosa dello scambio sul posto, in quanto mentre tutto ciò che auto consumiamo è sempre a costo zero il rimborso non è mai equivalente al costo totale pagato in bolletta.

Ad oggi, per massimizzare i vantaggi di entrambe le soluzioni impiantistiche, la tipologia di impianto fotovoltaico  più diffuso è quello che concilia le due soluzioni sopracitate di cui, di fatto, rappresenta un’evoluzione.

Si tratta di un impianto fotovoltaico “ibrido”, costituito da un sistema di accumulo (storage) per autoconsumo e da una connessione con la rete elettrica nazionale. Nello specifico, in questo sistema l’energia prodotta dai pannelli fotovoltaici viene innanzitutto consumata, poi immagazzinata nei sistemi di storage (o di accumulo) e, una volta raggiunta la capienza delle batterie, l’energia residua viene immessa nella rete elettrica nazionale.

È possibile ricondurre gli impianti sopra citati ad un’architettura di sistema comune, arricchita da componenti aggiuntivi, la cui descrizione è esplicitata nel prossimo paragrafo.

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Architettura del sistema e funzionamento

Architettura del sistema

La struttura di un sistema fotovoltaico può essere ricondotta a tre blocchi fondamentali:

  • Il generatore fotovoltaico
  • Il sistema di condizionamento della potenza
  • Un sistema di acquisizione dei dati

Il generatore fotovoltaico è il componente cardine dell’impianto fotovoltaico; provvede, infatti, alla trasformazione dell’energia solare in energia elettrica. Esso è costituito da un insieme di moduli fotovoltaici, collegati in serie e in parallelo, così da ottenere i valori di potenza e tensione desiderati. I moduli sono costituiti da piccole lastre di materiale semiconduttore (le celle fotovoltaiche) che vengono connesse tra loro e incapsulate tra loro.

A protezione superiore dei moduli c’è un vetro temprato altamente trasparente e con bassa riflettanza testato per fungere da protezione meccanica alle celle; inferiormente, invece, c’è una superficie di supporto costituita da materiale isolante a scarsa dilatazione termica. L’insieme di questi elementi viene quindi racchiuso in un telaio di alluminio per rendere il modulo stagno e per facilitarne l’ancoraggio alla struttura di supporto. Più moduli assemblati e collegati formano un pannello, ovvero una struttura rigida ancorabile al suolo o ad un edificio. Più pannelli collegati in serie formano una stringa; più stringhe collegate in parallelo costituiscono il campo fotovoltaico, ovvero il generatore.

Quest’ultimo è definito da due fattori elettrici: la potenza nominale (o di picco) e la tensione nominale.

Il sistema di condizionamento della potenza collega, invece, il generatore fotovoltaico agli apparecchi utilizzatori o alla rete. Tale sistema è costituito dall’inverter che trasforma la corrente continua prodotta dai moduli in corrente alternata e che, di norma, comprende anche un trasformatore e un sistema adi rifasamento e filtraggio. Un inverter si sceglie in base alla configurazione e caratteristiche dei pannelli.

Un impianto fotovoltaico può lavorare per conversione centralizzata o per conversione di stringa. Nel primo caso si lavora con un solo dispositivo, mentre nel secondo si sceglie di utilizzare più inverter.

La scelta delle caratteristiche e del dimensionamento dell’inverter è fondamentale per la performance dell’impianto.

Infine, l’impianto fotovoltaico è costituito da un sistema di acquisizione dati costituito da un dispositivo elettronico che, comunicando con l’inverter e con eventuali sensori accessori, consente di acquisire, memorizzare e visualizzare i dati più rilevanti del campo fotovoltaico. È possibile implementare tale sistema valutando anche l’efficienza dell’impianto e gli aspetti manutentivi.

Come anticipato l’architettura di sistema fotovoltaico può essere ampliata di alcuni componenti che definiscono le varie soluzioni impiantistiche consentendo, oltre all’autoconsumo immediato, anche la possibilità di immagazzinare l’energia non auto consumata in appositi sistemi di accumulo per renderla disponibile anche quando l’impianto non è funzionante (autoconsumo differito) e/o di immettere in rete (meccanismo di scambio sul posto). A tale proposito, il sistema può anche essere dotato di:

  • batterie di accumulo;
  • il regolatore di carica;
  • contatore di produzione;
  • contatore di scambio.

Le batterie di accumulo rappresentano il principale sistema di stoccaggio dell’energia elettrica sia negli impianti stand alone per garantire la continuità temporale nell’approvvigionamento di corrente elettrica quando la radiazione solare risulta insufficiente o assente e sia negli impianti con sistema di accumulo e connessi alla rete dove servono per immagazzinare il surplus di energia prodotta e non consumata (autoconsumo differito) prima che venga immessa nella rete elettrica nazionale.

Il collegamento tra il generatore fotovoltaico e gli accumulatori non è diretto ma avviene a mezzo di un dispositivo detto regolatore di carica. Funzione principale di questo dispositivo è preservare il buon funzionamento delle batterie controllandone il processo di carica o di scarica. In particolare, il regolatore di carica evita che le batterie siano soggetti a livelli di carica e scarica troppo profondi. Tali situazioni, che si verificano rispettivamente in caso di sovrapproduzione da parte del generatore e in caso di prolungata assenza della radiazione solare, possono risultare dannose per la durata e la funzionalità delle batterie.

In merito ai contatori sopracitati, infine, quello di produzione misura tutta la produzione dei pannelli fotovoltaici ed è posto tra inverter e l’impianto; il secondo, invece, misura quanta energia viene immessa e quanta ne viene prelevata dalla rete ed è posizionato tra l’impianto e la rete elettrica di fornitura.

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