Il modello tradizionale del sistema energetico, in particolare quello elettrico può essere pensato come una rete passiva con un flusso unidirezionale di energia regolato in maniera integrata. L’energia viene generata a un capo della rete e successivamente distribuita con precise regole e controlli, stabili e consolidati da anni, al consumatore finale. I percorsi e le regole di distribuzione dell’energia non cambiano in funzione del contesto in cui la rete opera (domanda di energia, eventuale generazione temporanea all’interno della rete, etc.).
La situazione tuttavia sta cambiando: la generazione distribuita di elettricità da fonte rinnovabile, la sua non programmabilità e imprevedibilità, la sua distribuzione sul territorio (generazione distribuita) hanno un impatto non più trascurabile sul sistema elettrico.
Intermittenza e non programmabilità richiedono una sostanziale modifica della rete elettrica, che deve adeguarsi ai luoghi e ai tempi di disponibilità di tali fonti garantendo contemporaneamente la fornitura della potenza e dell’energia richiesta dagli utenti, con la stessa qualità della situazione tradizionale.
Per essere in grado di gestire correttamente tale situazione vengono in aiuto i sistemi di accumulo, dispositivi in grado di accumulare energia in un determinato momento e di renderla disponibile a distanza di secondi, minuti, ore o giorni.
Diverse sono le tipologie di accumulo. Qui verranno presi in considerazione gli accumulatori di tipo elettrolitico.
Una lista delle tecnologie elettro-chimiche disponibili è la seguente:
-piombo ( - Pb / + PbO2)
-nichel-cadmio ( - Cd / + NiO(OH))
-nichel metalloidruro o idruro di nichel Ni-MH (Metal Hydride)
-ferro-nichel ( - Fe / + NiO(OH))
-zinco-argento ( - Zn / + AgO)
-cadmio-argento ( - Cd / + AgO)
-ioni di litio ( - carbonio / + positivo di LiCoO2 o LiNiO2 o LiMn2O4)
-nichel idrogeno (NiH2)
-sodio-zolfo (NaS)
-sodio-cloruri metallici (NaNiCl)
Di questi, solo il primo è ad elettrolita acido (H2SO4), gli altri ad elettrolita alcalino (KOH).
I componenti di un sistema di accumulo ad elettrolita sono i seguenti:
1.elettrolita (conduttore ionico): rappresenta il mezzo per trasferire gli ioni positivi e negativi tra anodo e catodo. L’elettrolita è tipicamente un solvente che contiene elementi chimici disciolti che provvedono a dare una conduttività ionica. Non deve essere un conduttore di elettroni per evitare l’auto-scarica della cella;
2.catodo: elettrodo positivo che accetta elettroni dal circuito esterno e si riduce durante la scarica. Solitamente è un ossido di metallo o un solfato ma viene usato anche l’ossigeno;
3.anodo: elettrodo negativo (elettrodo che dà il “combustibile”). Esso produce elettroni utili per il circuito esterno e si ossida durante la scarica. Solitamente è un metallo o una lega;
4.separatore: isola elettricamente l’elettrodo positivo da quello negativo.
Le caratteristiche di un accumulatore sono le seguenti:
Capacità di un accumulatore
La capacità definisce indirettamente l’energia stoccabile nell’accumulatore. Fissata la tensione nominale ai morsetti dell’accumulatore, la capacità è definita in Ah (ampere–ora) che possono essere erogati dalla cella a temperatura ambiente fino che la cella raggiunge la tensione di cut-off (di interdizione o di soglia), che è indicativamente i 2/3 della tensione di piena carica.
La capacità specifica indica la capacità dell'accumulatore per unità di massa (ad esempio Ah/kg) o per unità di volume (ad esempio Ah/dm3).
L'energia specifica indica l'energia che può essere erogata dall'accumulatore per unità di massa (Wh/kg), mentre la densità di energia è parametrata per unità di volume (Wh/dm3)
La potenza erogabile dall'accumulatore è data dalla tensione media di scarica moltiplicata per la corrente ed è espressa in Watt (W). Corrispondentemente, la potenza specifica per unità di massa è espressa in W/kg e la densità di potenza è parametrata per unità di volume in W/dm3 (o kW/m3)
Effetto memoria (memory effect)
E’ un effetto presente su alcune batterie (es. Ni-Cd) ed è legato alla alterazione dei materiali interni (formazione di cristalli). Nelgli accumulatori soggetti a questo effetto, la batteria "ricorda" la più frequente profondità di scarica (depth of discharge, DOD) e conseguentemente riduce le sue prestazioni qualora si superi l’abituale DOD.
La scelta del tipo e delle configurazione di un accumulatore, le valutazioni delle prestazioni tecniche e le analisi di carattere tecnico-economico devono tenere in considerazione i seguenti aspetti:
•Capacità e capacità specifica (W e W/kg)
•Densità di energia stoccabile (Wh/m3)
•Energia specifica (Wh/kg)
•Potenza erogabile/assorbibile alla porta
•Rendimenti carica/scarica (DC/DC Roundtrip Efficiency)
•Rapporto tensione carica/scarica (per accumulo elettrico)
•Tempi di attivazione
•Tempi di inversione del flusso di potenza
•Vincolo energia/potenza
•Vita utile (Service Life @ defined DOD)
•Durata di servizio
•Dipendenza dalla temperatura esterna
•Safety
•Emissività di gas in funzionamento standard
•Emissività di gas in condizione di guasto interno
•Comportamento in caso di incendio
•Pericolosità dei materiali impiegati
•Monitorabilità del funzionamento delle batterie
•Costo
Di seguito una tabella riepilogativa dei fattori di analisi per un sistema di accumulo
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Fattore
di analisi
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Descrizione
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Efficienza
migliorata dei carichi di base
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La
ricarica delle batterie durante i periodi di fuori picco aumenta il fattore
di sfruttamento dei generatori di base (quelli poco modulabili)
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Gestione
del carico di picco
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Le
domande di potenza di picco, anche di durata di qualche ora, possono essere
soddisfatte scaricando le batterie (cliente soddisfatto)
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Capacità
di seguire il carico
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Quando
i generatori hanno raggiunto la velocità di funzionamento, la scarica/carica
delle batterie può seguire le fluttuazioni del carico (piccole oscillazioni)
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Stabilità
del sistema migliorata
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Il
rapido intervento della potenza accumulata nelle batterie evita fluttuazioni
nella fornitura di energia agli utenti (gestione imprevisto)
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Credito
di riserva rotante
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Il
carburante per tenere i generatori rotanti in stand-by può essere risparmiato
grazie a crediti di potenza istantanea di batteria, anche quando le celle
sono cariche
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Costruzione
modulare
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La
pianificazione del sistema può essere migliorata aggiungendo i moduli di
batteria necessari, quando in una determinata area aumentano le domande di
potenza di picco (gestione ottimizzata temporalmente e geograficamente)
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Tempo
breve di costruzione
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I
sistemi di accumulo di energia a batteria possono essere costruiti in tempi
molto più brevi di un impianto di generazione
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Semplice
installazione
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I
sistemi a batteria possono essere installati in luoghi sparsi per soddisfare
le domande di picco in aree in sviluppo (distribuzione geografica degli
apparati)
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Accettabilità
ambientale
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Non
vi è alcuna emissione inquinante se le operazioni sono fatte secondo le norme
vigenti e la buona ingegneria (attenzione allo smaltimento)
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Differimento
degli investimenti
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Gli
investimenti per il potenziamento di parte della rete in di
trasmissione/distribuzione possono essere differiti mediante l’installazione
di sistemi a batteria ubicati vicini al carico
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Acquisto
di energia a costi ridotti
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La
capacità di accumulo delle batterie consente l’acquisto di energia quando
essa ha prezzo minore
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