Impiego efficiente dei sistemi di storage elettrico


1) Tipologie di accumulo

2) Tecnologia

3) Applicazioni

4) Normativa


Tipologie di accumulo: definizioni

• Potenza specifica : Potenza erogabile dalla batterie

• Energia specifica : Quantità di energia immagazzinata per unità di massa

• Indice C : corrente media che la batteria è in grado di erogare in 1 ora

• Profondità di scarica (DOD ): rappresenta la frazione della capacità di scarica erogata dalla batteria durante il suo funzionamento

• Cicli di vita: numero di cicli di vita attesi prima che la batteria si definisca scarica

Tipologie di accumulo: sistemi elettrochimici


Zn Zn2++2 e- Cu2++2 e- Cu

• Avviene una reazione di ossido riduzione: nell’anodo abbiamol’ossidazione e nel catodo la riduzione

• Reazione di ossido riduzione implica passaggio di cariche elettriche

• La velocità della reazione è legata a fattori ambientali


Tipologie di accumulo: sistemi storageAccumuli Energy intensive :

• Elevate capacità di accumulo su tempi lunghi

• Uso per energy management

Accumuli Power intensive:

• Potenze elevate per brevi intervalli di tempo

• Centinaia di cicli in un anno

Potenza specifica

(W/kg)

Energia specifica

(Wh/kg)

Tempi di risposta

Piombo 10 10 1 ora

Litio 1000 100 1 minuto

Volani 10000 100 1 secondo

Supercondensatori 100000 0,01 1 millisecondo


• Soluzioni maggiormente in uso: piombo e litio

• Hanno scariche decine di minuti su potenze fino 100 kW

• Sono oggi i materiali più diffusi e su cui si sta facendo più ricerca

Tipologie di accumulo: tipologie elettrochimiche principali

Energia specifica

ponderale

(Wh/kg)

Energia specifica

volumetrica

(Wh/L)

Piombo 10-50 50-100

Nichel cadmio 30-60 120-150

Nichel metal idrato 50-80 180-220

Litio 100-200 250-350

Impiego efficiente dei sistemi di storage elettricoTipologie di accumulo: soluzioni al piombo

Tecnologie AGM/GEL garantiscono

• Sicurezza(utilizzano sistemi antideflagranti)

• Durata nel tempo fino a 10 anni

• Costi contenuti

Durata

vita

Sviluppo

gas

Perdita

acido

Flessibilità

installazione

Insensibilità

tensione

scarica

Manute

nzione

Prezzo

Accumulitradizionali

+++ +++ +++ + +++ +++ +++

Accumuli Gel

++ + + ++ + + ++

Accumuli AGM

++ + + ++ ++ + +

Tradizionale(elettrolita

liquido libero)

AGM(elettrolita

assorbito)

GEL(elettrolita

gelificato)

Accumulatori regolati

da valvola


Tipologie di accumulo: soluzioni ad ioni di litio

Tecnologie Litio

• Litio diossido cobalto (LCO)

• Litio Manganese (LMO)

• Litio Fosfato (LFP)

• Litio Nichel Manganese Cobalto(NMC)

LCO LMO LFP NMC

Potenza(W/kg) 60 65 70 80

Energia(Wh/kg) 150-190 100-135 90-120 140-180

Cicli vita 2500-3000 2800-3500 4000 6000

Vita attesa 10 anni 10 anni 15 anni 15 anni

Livello sviluppo matura matura crescita crescita

Sicurezza cella bassa bassa media media


• Capacità piombo viene misurata in 10 ore

• Litio: riesce ad esprimere la sua capacità in tempi brevissimi (1ora)

• Temperature inferiori a temperatura ambiente rallentano reazioni chimiche

• Litio è meno influenzato in un rangeda 0 a 40 °C

Tipologie accumulo: curve caratteristiche piombo-litio

Piombo

Litio

Piombo

Litio

• Temperature elevate riducono la vita della batteria

• Litio è sensibile alle alte temperature molto più del piombo


Tipologie di accumulo: curve caratteristiche piombo-litio

• Lo stoccaggio deve essere svolto con cura per evitare scarica

• Oltre i 6 mesi di tempo al batteria deve essere ricaricata

Piombo

Litio

Temperatura( °C)

• Batterie Gel hanno durata maggiore delle batterie AGM

• Scarica massima accettata nel piombo: 50 %

• Sovradimensionare la batteria permette un minor sfruttamento e di farla durare più a lungo

• Litio ha elevate durate anche a scariche profonde


Influenza della scarica nella vita della batteria

Tipologie di accumulo : curve caratteristiche piombo litio

Piombo AGM

Piombo GEL

Litio

Percentuale di scarica(DOD)

Cic

li d

i vit

a a

tte

si


Tipologie di accumuli: andamento costi

Costo complessivo confronto litio/piombo e confronto a ciclo

• Batterie al piombo hanno costi di ingresso decisamente inferiori rispetto al litio

• Costo a singolo ciclo è simile viste le alte prestazioni del litio

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

Piombo AGM Piombo gel Litio

Andamento costi €/kWh ciclo(DOD 50 %)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

Piombo AGM Piombo gel Litio

Costo in €/kWh differenti tecnologie

€/k

Wh

€/k

Wh

cicl

o


Tipologie di accumuli : evoluzione costi al 2025

• Soluzione al litio : calo prezzi significativo circa 50 % negli ultimi 3 anni

• Ulteriori prospettive di decrescita in affiancamento al mondo automotivee dell’elettronica di consumo€

/kW

h

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

2009 2013 2015 2020 2025

Confronto andamento costi pimbo litio

piombo litio



2) Tecnologia

3) Applicazioni

4) Normativa

Tecnologia: prodotti disponibili

Caratteristiche Res piombo gel Lithium

BVA

Lithium

LVA

Capacità (kWh) 6,2-13,6 0,55-5,6 3,7-13,8

Durata(cicli) 2500 5000 5000

Densità energetica(Wh/kg)

12-25 40-60 40-70

Power intensive + ++ +++

Smaltimento +++ + +

Garanzia + ++ ++

Sicurezza +++ ++ ++



Tecnologia: sistemi ups

• Sistemi a basso costo

• Derivazione dal mondo industriale

• Necessità di importante parco batterie

• Funzionamento senza controllo scarica

• Non allacciabile alla rete

Impiego efficiente dei sistemi di storage elettricoTecnologia: sistemi battery manager e batteria integrata

• Sistemi con connessione diretta a batterie

• BMS interno allo macchina

• Unico produttore in un unico sistema

• Scarsa flessibilità e costi superiori per batterie al litio

Impiego efficiente dei sistemi di storage elettricoTecnologia: sistemi battery manager e batteria esterna

• Sistemi a costi inferiori

• Gestione della regolazione di carica e scarica

• Possibilità di interfacciamento con diversi tipi di batterie per diverse capacità

Impiego efficiente dei sistemi di storage elettricoTecnologia: prodotti disponibili

Caratteristiche Ups Bms e batteria

all in one

Batteria separata da

Bms interno

Costi + +++ ++

Flessibilità ++ + +++

Connessione alla rete possibile No Si Si

Garanzia + +++ +++

Gestione di più carichi no sì sì

Sicurezza ++ + +++

Impiego efficiente dei sistemi di storage elettricoTecnologia: sistemi Powerouter a piombo e litio

• Sistemi collegati alla rete

• Gestione intelligente di carica e scarica

• Possibilità di gestire diverse fonti di generazione (fotovoltaico, cogeneratore, eolico)

• Monitoraggio e controllo da remoto

• Possibilità di attivare carichi ( pompe di calore e resistenze elettriche)


• Carica controllata

• Possibilità di impostare tipologia batterie

• Scarica controllata impostando la potenza massima erogabile

Caratteristiche

carica

Corrente Tensione Carica

Fase 1: accumulo Costante Crescita 50-80 %

Fase 2: assorbimento Decrescita Costante 80-97 %

Fase 3: flottante Costante Costante 97-100 %

Tensione

Corrente

Tecnologia: sistemi Powerouter a piombo e litio


• Nuova soluzione per accumulo residenziale e commerciale

• Capacità di scarica profonda: 90 %

• Rendimenti superiori al 95 %

• BMS interno in grado di lavorare con diverse tipologie di inverter

• Possibilità di stoccaggio per mesi senza autoscarica significativa

• Range di lavoro da 0-40 °C

Tecnologia litio NMC ed interfaccia con sistema BMS Powerouter

• In condizioni climatiche normali la batteria mantiene costante la sua resistenza di scarica globale


Tecnologia ioni di litio

Litio Nickel Manganese diossido di Cobalto

• A temperature ambiente (da 0 a 40 °C) la tensione rimane costante

• Autoscarica ininfluente anche a distanza di giorni



2) Tecnologia

3) Applicazioni

4) Normativa

Produzione di energia

con cogeneratori

Elevata efficienza

Innovazione

Rispetto dell‘ambiente

Accumulo di energia

Autarchia

Indipendenza

Sicurezza

Fotovoltaico

Ecologia

Sostenibilità

Stabilità di costi energetici

Utilizzo dell‘energia

Aumento dell‘autarchia


Applicazioni: accumulo come punto di unione fra più tecnologie

Aumento dell‘autoconsumo


• Analisi profilo di consumo di 400 utenti (analisi studio RSE)

• Circa 50 % utenti hanno autoconsumi compresi fra 20 e 30 %

Applicazioni: simulazioni di consumo

• Versione senza accumulo: autoconsumo medio 25 %

• Versione con accumulo 3 kWh: autoconsumo medio 50 %

• Versione con accumulo 5 kWh: autoconsumo medio 65 %

• Accumulo medio per residenziale è attorno a 4 kWh

Non è possibile stimare un accumulo unico ma va progettato in integrazione con accumulo termico


Applicazioni: simulazioni di consumo

Produzione pv Consumi

Impiego efficiente dei sistemi di storage elettricoApplicazioni: caso reale

Po

ten

zaP

ote

nza


• Utenza residenziale

• Impianto fotovoltaico 4 kWp

• Allaccio 5 kW

• Accumulo 4,8 kWh

• Tecnologia piombo AGM

• Monitoraggio consumi da 2010

Applicazioni: caso reale

Impiego efficiente dei sistemi di storage elettricoApplicazioni: caso reale

• Utenza residenziale

• Monitoraggio ultimi 5 anni

• Analisi dei consumi nelle diverse fasce

• Inserimento accumulo dal Settembre 2013


Applicazioni: caso reale • Dati monitorati giornalmente

• Produzione fotovoltaica

• Distribuzione dell’energia prodotta fra autoconsumo/batteria/rete

• Ripartizione dei prelievi di energia fra rete/autoconsumo/batterie

• Parametri caratteristici inverter tensione, corrente, parametri di carica e scarica batterie


0

100

200

300

400

500

tempo di utilizzo

Andamento spese complessivo• Riduzione dei consumi: - 57 %

• Riduzione fascia F1: -50 %

• Riduzione fascia F2: -70 %

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

Confronto costi energia (anno 2013/2014)

2013

2014


• Riduzione costi dell’energia :20%

• Minori costi dal minore utilizzo energia e al passaggio ad una fascia inferiore di consumi

Andamento complessivo spese

Co

sto

en

erg

ia

ele

ttri

ca(c

€|

kW

h)

Co

sti

(€)



0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

gen feb mar apr mag giu lug ago sett ott nov dic

Autoconsumo senza batterie

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%


Autoconsumo con batterie

senza

batterie

con

batterie

Autoconsumo =

Energia utilizzata

Energia prodotta da fotovoltaico

• Autoconsumo in ipotesi senza batterie: 25 %

• Autoconsumo con batterie: 58 %



Autarchia:

Energia prodotta

Energia necessaria per abitazione

• Autarchia in ipotesi senza batterie: 28 %

• Autarchia con batterie: 55 % 0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%


Autarchia senza batterie

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%


Autarchia con batterie

senza

batterie

con

batterie



2) Tecnologia

3) Applicazioni

4) Normativa

Impiego efficiente dei sistemi di storage elettricoNormative tecniche di riferimento

Fonti Rinnovabili non programmabili creano diversi problemi nella rete

• Riduzione capacità regolatorie del termoelettrico

• Incremento del fabbisogno di riserva rapida

• Bilanciamento tramite azioni rapide da eseguirsi a cura di impianti programmabili con elevati costi di gestione

• Tensione elevata nei punti di connessione

Autorità per energia e gas e comitato CEI hanno sviluppato apposite normative

• Per scongiurare i pericoli sulla rete elettrica(Dicembre 2014)

• Accumulo può aiutare a superare questi problemi


Normativa tecnica di riferimento CEI 0-21 V3: schemi di collegamento accumulo lato DC

Normativa tecnica di riferimento CEI 0-21 V3: accumulo lato AC posizionato a valle contatore


Normativa tecnica di riferimento CEI 0-21 V3: accumulo posizionato a monte contatore


Normative tecniche di riferimento

Normativa tecnica di riferimento CEI 0-21 V3: connessione accumulo utenti passivi



Servizi di rete: accumulo deve aiutare la rete nel suo funzionamento in particolare DEVE

• Eseguire regolazione potenza attiva

• Limitare potenza attiva per valori di tensione prossimi al 110 % Un

• Interrompere ciclo di scarica ed assorbire potenza attiva in condizioni di funzionamento in sovrafrequenza

• Interrompere ciclo di carica ed erogare potenza attiva in condizioni di funzionamento in sottofrequenza

• Partecipare al controllo della tensione(assorbire ed erogare potenza reattiva)



GSE ha individuato regole tecniche per allaccio acc umuli su impianti esistenti fotovoltaici e cogenerativi ad alto rendi mento (Aprile 2015)

• Possibilità di installare accumuli su impianti esistenti

• Regole chiare e tempistiche definite per risposta

• Possibilità di avere dal GSE valutazione preliminare sulla soluzione adottata

• GSE unico soggetto abilitato alla gestione della pratica


Normative tecniche di riferimento: Regole tecniche GSE

Impiego efficiente dei sistemi di storage elettrico - Nuove Energie Viessmann Group, Convengo Lodi...

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