Nella realizzazione di un impianto fotovoltaico ad accumulo, la scelta delle batterie è un elemento cruciale che influenza significativamente l’efficienza e la durata dell’intero sistema. Le due principali tecnologie attualmente utilizzate per lo stoccaggio dell’energia in ambito fotovoltaico sono le
- batterie al litio
- batterie al piombo-acido.
Ciascuna di queste tipologie presenta caratteristiche, vantaggi e svantaggi specifici che devono essere attentamente valutati in base alle esigenze dell’impianto e dell’utente.
Batterie fotovoltaiche al litio
Le batterie al litio, in particolare le varianti agli ioni di litio (Li-ion), rappresentano attualmente la tecnologia più avanzata e efficiente per l’accumulo di energia in sistemi fotovoltaici. Queste batterie offrono una densità energetica elevata, il che significa che possono immagazzinare una grande quantità di energia in un volume relativamente ridotto.
Secondo dati del National Renewable Energy Laboratory (NREL), le batterie al litio possono raggiungere un’efficienza di ciclo superiore al 95%, il che si traduce in perdite minime durante i processi di carica e scarica.
Inoltre, le batterie al litio hanno una lunga durata, con molti modelli che garantiscono oltre 4000-5000 cicli di carica/scarica prima di una significativa degradazione delle prestazioni. Un altro vantaggio importante è la loro capacità di sostenere scariche profonde senza danni significativi, permettendo di utilizzare una percentuale maggiore della capacità nominale rispetto alle batterie al piombo-acido.
Tuttavia, le batterie al litio presentano anche alcuni svantaggi, principalmente legati al costo iniziale più elevato e alla necessità di sistemi di gestione della batteria (BMS) più sofisticati per garantire sicurezza e prestazioni ottimali.
Batterie al piombo acido
D’altra parte, le batterie al piombo-acido rappresentano una tecnologia più matura e economica, ampiamente utilizzata negli impianti fotovoltaici ad accumulo. Queste batterie si dividono principalmente in due categorie: quelle aperte (o ventilate) e quelle sigillate (o VRLA – Valve Regulated Lead Acid).
Le batterie al piombo-acido offrono un costo iniziale inferiore rispetto alle batterie al litio, rendendole una scelta attraente per impianti di piccole e medie dimensioni o per utenti con budget limitati. Tuttavia, presentano una serie di limitazioni rispetto alle batterie al litio. L’efficienza di ciclo delle batterie al piombo-acido è generalmente inferiore, attestandosi intorno al 70-80% secondo studi dell’IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers).
Inoltre, la loro densità energetica è inferiore, richiedendo più spazio per immagazzinare la stessa quantità di energia rispetto alle batterie al litio. La durata delle batterie al piombo-acido è anche significativamente inferiore, con una vita utile che si aggira intorno ai 500-1000 cicli per le batterie tradizionali e fino a 2000-3000 cicli per le versioni più avanzate.
Un altro svantaggio è la loro sensibilità alle scariche profonde, che possono ridurre drasticamente la vita utile della batteria. Le principali differenze tra le due tecnologie si manifestano in diversi aspetti chiave. In termini di densità energetica, le batterie al litio possono immagazzinare circa 3-4 volte più energia per unità di peso rispetto alle batterie al piombo-acido. Questo si traduce in sistemi di accumulo più compatti e leggeri. L’efficienza di carica e scarica è nettamente a favore delle batterie al litio, con una differenza che può superare il 15-20% rispetto alle batterie al piombo-acido.
Ciò significa che una maggiore percentuale dell’energia prodotta dai pannelli solari viene effettivamente immagazzinata e resa disponibile per l’uso. La durata nel tempo è un altro fattore critico: mentre le batterie al piombo-acido tipicamente necessitano di sostituzione dopo 5-7 anni di uso intensivo, molte batterie al litio possono durare 10-15 anni o più, riducendo i costi di manutenzione e sostituzione nel lungo periodo.
La profondità di scarica (DoD – Depth of Discharge) è un altro parametro importante: le batterie al litio possono essere scaricate fino all’80-90% della loro capacità senza danni significativi, mentre per le batterie al piombo-acido si consiglia generalmente di non scendere sotto il 50% per preservarne la durata.
In termini di manutenzione, le batterie al litio richiedono interventi minimi, mentre quelle al piombo-acido, specialmente le versioni aperte, necessitano di controlli periodici dei livelli dell’elettrolita e talvolta di rabbocchi.
Dal punto di vista ambientale, le batterie al litio sono generalmente considerate più ecologiche, sia per la maggiore efficienza che per la minore presenza di materiali tossici. Tuttavia, è importante notare che entrambe le tecnologie richiedono processi di riciclaggio specifici a fine vita. In conclusione, la scelta tra batterie al litio e al piombo-acido per un impianto fotovoltaico ad accumulo dipende da diversi fattori, tra cui il budget disponibile, lo spazio di installazione, le esigenze di prestazioni e la prospettiva di lungo termine.
Mentre le batterie al litio offrono prestazioni superiori sotto quasi tutti gli aspetti tecnici, il loro costo iniziale più elevato può rappresentare una barriera per alcuni utenti. D’altra parte, le batterie al piombo-acido rimangono una soluzione valida per impianti di dimensioni ridotte o in situazioni dove il costo iniziale è il fattore predominante. La tendenza del mercato, supportata da dati di organizzazioni come l’International Energy Agency (IEA), indica una progressiva riduzione dei costi delle batterie al litio, che potrebbe renderle la scelta predominante nel prossimo futuro per la maggior parte degli impianti fotovoltaici ad accumulo domestici e commerciali.
Batterie Al Flusso
Le batterie a flusso rappresentano una tecnologia innovativa e promettente nel campo dell’accumulo energetico, particolarmente interessante per le applicazioni in ambito fotovoltaico. Questa tecnologia, ancora in fase di sviluppo e ottimizzazione, offre caratteristiche uniche che la distinguono dalle batterie convenzionali al litio o al piombo-acido.
Il principio di funzionamento delle batterie a flusso si basa su due elettroliti liquidi, conservati in serbatoi separati, che vengono fatti circolare attraverso una cella elettrochimica dove avviene lo scambio di ioni, producendo elettricità. Questo design offre diversi vantaggi significativi nell’ambito delle applicazioni fotovoltaiche.
Una delle caratteristiche più rilevanti delle batterie a flusso è la loro capacità di disaccoppiare la potenza dalla capacità di accumulo. La potenza è determinata dalle dimensioni della cella elettrochimica, mentre la capacità di accumulo dipende dal volume degli elettroliti nei serbatoi. Questa flessibilità permette di dimensionare in modo indipendente la potenza e la capacità del sistema, adattandolo precisamente alle esigenze specifiche dell’impianto fotovoltaico.
Le batterie a flusso offrono una durata eccezionalmente lunga. Secondo studi condotti dal Pacific Northwest National Laboratory, queste batterie possono sostenere oltre 20.000 cicli di carica e scarica senza degradazione significativa delle prestazioni. Questa caratteristica le rende particolarmente adatte per applicazioni fotovoltaiche su larga scala, dove la longevità del sistema di accumulo è cruciale per l’economia dell’impianto.
Un altro vantaggio notevole è la profondità di scarica. Le batterie a flusso possono essere scaricate completamente senza danni, a differenza delle batterie al litio o al piombo-acido che soffrono di degradazione se scaricate oltre certi limiti. Questa caratteristica permette di utilizzare l’intera capacità nominale della batteria, aumentando l’efficienza complessiva del sistema di accumulo fotovoltaico.
La sicurezza è un altro aspetto in cui le batterie a flusso eccellono. Gli elettroliti utilizzati sono generalmente a base acquosa e non infiammabili, riducendo significativamente i rischi di incendio rispetto alle batterie al litio. Questo le rende particolarmente adatte per installazioni in ambienti sensibili o in prossimità di edifici.
Tuttavia, le batterie a flusso presentano anche alcune limitazioni. La loro densità energetica è inferiore rispetto alle batterie al litio, il che significa che richiedono più spazio per immagazzinare la stessa quantità di energia. Questo può essere un fattore limitante per applicazioni residenziali o in spazi ristretti, ma è meno problematico per installazioni fotovoltaiche su larga scala dove lo spazio è generalmente meno vincolante.
L’efficienza energetica delle batterie a flusso è attualmente inferiore rispetto alle batterie al litio. Mentre le batterie al litio possono raggiungere efficienze superiori al 95%, le batterie a flusso si attestano tipicamente intorno al 70-80%. Tuttavia, la ricerca in questo campo sta progredendo rapidamente, e si prevede un miglioramento significativo dell’efficienza nei prossimi anni.
Il costo iniziale delle batterie a flusso è attualmente più elevato rispetto alle tecnologie convenzionali. Tuttavia, considerando la loro lunga durata e la bassa degradazione nel tempo, il costo totale di proprietà su un lungo periodo può risultare competitivo, specialmente per applicazioni fotovoltaiche su larga scala.
Tra le varie tipologie di batterie a flusso, quelle al vanadio (VRFB – Vanadium Redox Flow Battery) sono attualmente le più promettenti per applicazioni fotovoltaiche. Queste batterie utilizzano soluzioni di vanadio in diversi stati di ossidazione come elettroliti, offrendo prestazioni stabili e una lunga durata. Aziende come UniEnergy Technologies e Sumitomo Electric Industries stanno sviluppando e implementando sistemi VRFB su scala commerciale per applicazioni di rete e integrazione di energie rinnovabili.
L’integrazione delle batterie a flusso con sistemi fotovoltaici offre potenziali vantaggi significativi, specialmente per la gestione dell’intermittenza solare e lo spostamento temporale dell’energia prodotta. La capacità di queste batterie di sostenere lunghi periodi di carica e scarica le rende ideali per applicazioni di “energy time-shifting”, dove l’energia solare prodotta durante il giorno può essere immagazzinata e utilizzata durante la notte o in periodi di bassa produzione solare.
Progetti pilota in varie parti del mondo stanno dimostrando l’efficacia delle batterie a flusso in contesti fotovoltaici. Ad esempio, un progetto a Minami-Soma, in Giappone, utilizza una batteria a flusso da 1 MW/4 MWh in combinazione con un impianto solare da 1 MW per fornire energia stabile alla rete locale.
Nonostante si tratti di una soluzione di accumulo piuttosto nuova e che necessiti ancora di miglioramenti, ci sono un paio di punti che rendono le batterie a flusso un’opzione popolare.
- La profondità di scarica è del 100%. Quindi è possibile utilizzare tutta l’energia immagazzinata.
- A differenza delle batterie al nichel-cadmio di cui parleremo nella prossima sezione, le batterie a flusso non sono tossiche. Il motivo è che sono a base d’acqua.
Ecco gli svantaggi dell’utilizzo di una batteria a flusso.
- Come abbiamo detto prima, la sua tecnologia è ancora in fase di sviluppo, ma è più costosa rispetto alle altre opzioni.
- Occupa più spazio a causa della bassa capacità di archiviazione .
Dimensionamento batterie fotovoltaiche
La prima cosa da sapere sulla dimensione della batteria è che si misura in kilowattora (kWh ). Come detto in precedenza, i kWh in una batteria vengono utilizzati di notte o in condizioni di scarsa illuminazione, quando la produzione solare non è sufficiente ad alimentare i tuoi elettrodomestici.
Tutte le batterie sono disponibili in diverse dimensioni in base alle preferenze. Ad esempio, le batterie più piccole possono essere da 2kWh fino a 20kWh o anche di più .
Per rendere il tutto più chiaro con un paragone, se si consumano circa 0,75-1 kW di energia all’ora, una batteria da 10 kWh durerà circa 10-12 ore, mentre una batteria da 13 kWh durerà 13-16 ore.
Capacità energetica/kW
A differenza delle dimensioni delle batterie, che si misurano in kWh, la capacità energetica delle batterie solari si misura in kilowattora (kW) .
Per evitare qualsiasi confusione in anticipo:
- kWh si riferisce alla quantità totale di energia utilizzata.
- kW si riferisce al tasso di utilizzo dell’elettricità.
La potenza nominale di una batteria indica sia quanti apparecchi la batteria può alimentare contemporaneamente, sia quali apparecchi sono.
Tenete presente che la maggior parte delle batterie disponibili oggi sul mercato ha una potenza continua di circa 5 kW.
