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PROGETTARE PICCOLI IMPIANTI FOTOVOLTAICI

Una batteria, potrebbe essere un qualunque dispositivo che immagazzina energia per utilizzarla successivamente. La parola batteria identifica un apparato elettrochimico che converte l‘energia chimica in energia elettrica, mediante l’uso di una cella galvanica.

Una cella galvanica è un sistema costituito da due elettrodi (un anodo e un catodo) e una soluzione di elettrolita. La tensione di una cella galvanica di una batteria al piombo è tipicamente di 2 Volt ed è costituita da una o più celle galvaniche.

Lo scopo delle batterie non è quello di produrre elettricità ma di accumulare o immagazzinare l’elettricità. Le reazioni chimiche all’interno delle batterie variano a seconda che l’energia elettrica venga immagazzinata o rilasciata. Nelle batterie ricaricabili come a esempio quelle al piombo, il processo può essere ripetuto più e più volte. Tipicamente le batterie non offrono un’efficienza del 100% ma si attesta su valori inferiori. Questo significa che un po’ di energia viene persa sotto forma di calore durante le reazioni chimiche di carica e scarica.

Le batterie usate per gli impianti fotovoltaici sono di norma al Piombo, ma possono essere anche al Litio; vediamo le differenze:

BATTERIE AL PIOMBO-ACIDO

Questo tipo di batteria è affidabile ed economica, ma anche ingombrante e pesante. Per ottenere un buon numero di cariche e scariche è necessario che siano scaricate al 50% della sua capacità di accumulo nominale: per cui la capacità utile si riduce della metà. Bisogna anche tenere conto del luogo dove vengono messe in quanto producono gas idrogeno, per cui se si trovano al chiuso il luogo deve essere ben areato.

Le batterie al Piombo hanno delle differenze costruttive a secondo dell’utilizzo che uno ne fa, ad esempio quelle delle auto sono costruite per garantire un’elevata corrente allo spunto, mentre per il fotovoltaico devono garantire un elevato numero di cariche e scariche.

BATTERIA AGM

In linea generale sul mercato troviamo due soluzioni: le batterie AGM  (Absorbent Glass Mata) piastre piane  che sono a tenuta stagna e sopporta senza problemi anche le posizioni oblique. Garantiscono dai 400 ai 700 cicli al 50% della capacità nominale, poco per il fotovoltaico e infatti sono costruite per le auto, o apparati UPS per garantire solo il tempo necessario per il ripristino della rete.

BATTERIA AL PIOMBO/GEL

Le batterie al Piombo/Gel sono quelle più diffuse, dal costo economico e affidabili. Possono essere scaricate fino a un massimo del 50% della loro carica nominale ed esaurisce la sua funzione dopo circa 2000/2500 cicli di carica e scarica. E se la utilizziamo ogni giorno possiamo stimare una durata di circa 6/7 anni. Una cosa da tenere presente che le batterie al piombo pesano e sono ingombranti e sono da mettere in una zona areata in quanto producono, nella carica, gas idrogeno.

La batteria al gel presenta il vantaggio di un’usura ridotta degli elettrodi, da questo deriva una durata di utilizzo superiore rispetto a una batteria al piombo-acido convenzionale.

BATTERIE GEL IN PIOMBO ACIDO

Le Batterie stazionarie OPzV sono batterie gel in piombo-acido che, essendo sigillate, non necessitano di manutenzione periodica. Sono ideali per l’utilizzo in installazioni solari, luci di emergenza, sistemi antincendio, telecomunicazioni, sistemi di irrigazione, ecc. La batteria si presenta in un formato compatto affinché sia più semplice da installare e trasportare. Queste batterie sono composte da celle tubolari e si caratterizzano per il loro eccellente comportamento in ciclo profondo, alto rendimento e livello di affidabilità. A livello tecnico, il vantaggio principale delle OPzV è che integrano una valvola di controllo che ne permette la scarica ripetuta e duratura delle celle e ciò ne consente il funzionamento sia in posizione verticale che orizzontale. La batteria offre un’alta resistenza ai cicli di scarica profonda e ripetuta per cui la sua durata stimata è di oltre 2400 cicli a una profondità di scarica media del 60% con una vita media di più di 18 anni a 25ºC.

 

BATTERIE AL LITIO

Le batterie al litio hanno il pregio di essere leggere, compatte, e si ricaricano velocemente, per il fotovoltaico le aziende hanno adottato per la maggior parte due tipi:

NMC (Nickel Manganese Cobalto: Li-NMC)

• La NMC (Nickel Manganese Cobalto: Li-NMC) che per la sua particolare composizione di elementi ha una massa energetica elevata per cui può accumulare grandi quantità di energia senza che il peso aumenti in proporzione. Per questo motivo vengono usate principalmente per le auto elettriche. Per contro le NMC hanno un difetto non trascurabile: nel caso ci fosse un cortocircuito o un danneggiamento potrebbero verificarsi incendi difficili da estinguere e considerando che le batterie di questo tipo contengono dalle 600 alle 1000 celle una reazione a catena potrebbero mettere in pericolo l’abitazione.

Litio Ferro Fosfato (LFP: Li-FePO₄)

• Il mercato si è concentrato su questo tipo di accumulatore Litio Ferro Fosfato (LFP: Li-FePO₄), migliorandone le prestazioni, come: la durata, azzerare l’effetto memoria, densità di energia. Già oggi possiamo rilevare le eccellenti prestazioni con un contenuto aumento della temperatura, senza fumo ne esplosioni.  Le celle così strutturate resistono meglio a elevate tensioni di cella applicate a lungo, ma hanno una tensione nominale di soli 3,2 Volt che ne riduce l’energia specifica. Quello che si può imputare è che questa tecnologia ha una maggiore corrente di autoscarica, che può provocare problemi di bilanciamento delle batterie con l’invecchiamento. Il problema è controllabile con appositi dispositivi elettronici, con un aumento del costo. Inoltre soffre l’umidità, per cui va accuratamente protetta. L’accumulatore è in grado di sostenere circa 10.000 cicli di scarica e carica mantenendo alla fine il 70% della sua capacità originale. Il costo è di circa 1000/1200 euro per kWh, i prezzi sono in costante diminuzione grazie alla loro diffusione e al miglioramento della tecnologia.

Le batterie di accumulo agli ioni di litio permette loro di ottimizzare l’autoconsumo ai massimi livelli:

• efficienza 90% – 95%
• profondità di scarica 90% – 100%
• 10.000 cicli di vita circa
• dimensioni compatte e peso ridotto
• installazione semplificata
• sicurezza

 

COMPOSIZIONE DELLA BATTERIA AL LITIO FERRO FOSFATO

È composta da centinaia di singole cella collegate tra loro per ottenere la capacità necessaria ad alimentare gli apparati della nostra abitazione con l’energia immagazzinata attraverso il fotovoltaico.

Queste celle sono composte da due elettrodi, uno è in grafite mentre l’altro è in litio-ferro-fosfato (Li-FePO₄), la dimensione è leggermente maggiore rispetto ad altre tipologie, ma ha una maggiore resistenza al calore.

BMS (Battery Management System)

Il pacco batteria contiene le celle collegate in serie/parallelo e di solito sono collegate a un dispositivo chiamato BMS (Battery Management System) che consente di aumentare la vita delle batterie e a proteggerle in situazioni che le danneggerebbero e potrebbero creare situazioni di pericolo.

Il BMS protegge la batteria da sovraccarica staccando le celle dal caricatore quando raggiungono la tensione di massima carica; da corrente massima e da cortocircuito e in questo caso scollegano le celle dal carico quando avviene una delle due condizioni; della protezione termica e scollegano le celle quando si supera una certa temperatura; e il bilanciamento della carica elettrica.

Il tipo di BMS da usare dipende sia dalla corrente sia dal numero di celle collegate in serie. Per indicare il numero di celle collegate in serie si mette il numero seguito dalla lettera S (1S= una sola cella, 2 S= 2 celle, ecc.); anche se nel pacco batteria LIFePO4, di solito, è già incluso il BMS.

 

DIFFERENZE CON ALTRE BATTERIE AL LITIO

Quelle che vengono usate nei computer, macchine elettriche, smartphone sono diverse rispetto a quelle usate per il fotovoltaico. Infatti, in questi casi, per la maggior parte, un elettrodo della batteria è costituito da Nichel o Cobalto.  Si tratta di una miscela di litio-cobalto come il nichel-manganese cobalto (NMC) oppure il nichel-cobalto-alluminio (NCA). Le prestazioni di queste ultime sono inferiori rispetto al LiFePo4 (litio-ferro-fosfato), ma sono comunque utilizzate maggiormente in quanto occupano meno superficie e sono piuttosto leggere.

CARATTERISTICHE PRINCIPALI PER LA SCELTA DEL TIPO DI BATTERIA

• Quanta energia elettrica è in grado di accumulare ed erogare [kwh];

• Velocità con cui la batteria riesce ad immagazzinare o rilasciare l’energia;
• Materiali– esistono diverse tecnologie per la costruzione delle batterie di accumulo: Piombo, Sodio, Nichel, Ioni di Litio. Oggi, quello più usato è il litio: sicuro, non emette emissioni di gas ed è l’unica tecnologia che non contiene metalli pesanti o tossici;
• Garanzie del produttore – Alcuni produttori indicano un numero massimo di cicli garantiti di carica e di scarica, sarebbe preferibile che le garanzie fossero legate al tempo di funzionamento in funzione della data di installazione.
• Versatilità– una batteria di accumulo deve adattarsi ad ogni tipo di impianto fotovoltaico.

Le batterie al Litio sono piccole e leggere ma molto costose. La percentuale di scarica può arrivare fino all’80% della capacità nominale e il ciclo di cariche e scariche può arrivare, a esempio quelle al Litio Ferro Fosfato, fino a 10.000 cicli.

L’esigenza di alimentare a esempio il forno a microonde, il climatizzatore, ecc. richiede potenze sempre più elevate e l’esigenza di collegare inverter sempre più potenti, le batterie al litio sopportano tranquillamente le alte scariche mentre le batterie al piombo se stressate in continuazione se ne accorcia la vita.

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