RICERCA SISTEMA ELETTRICO - AREA USI FINALI TEMA DI RICERCA 5.4.3.1.

I sistemi di accumulo energetici si possono classificare in funzione del tipo di energia che accumulano:

• energia meccanica
  • sistemi di pompaggio (energia potenziale)
  • volani (energia cinetica, facilmente trasformabile in energia elettromagnetica)
  • sistemi ad aria compressa (energia di compressione od elastica)
  • l’inerzia dei sistemi in movimento, un tipo di accumulo intrinseco ai processi che coinvolgono delle masse
• energia termica
  • serbatoi di acqua o pietre o acquiferi
  • materiali a transizione di fase e pompe di calore chimiche
• energia elettromagnetica o elettrostatica
  • supercondensatori (elettrostatica)
  • magneti superconduttori (elettromagnetica)
• energia chimica
  • pile (energia di origine elettrochimica, derivante da processi di ossido-riduzione controllata, anche reversibili; in questo caso parliamo più propriamente di accumulatori)
  • combustibili (tra cui l’idrogeno, anch’esso utilizzabile in processi di ossidoriduzione controllata, come nelle celle a combustibile)

ma anche in base alle funzioni loro richieste, che dal punto di vista energetico sono riconducibili a due:

1. fornire il livello di potenza termica, meccanica od elettrica che sia, necessaria istantaneamente al processo in oggetto
2. fornirla per il tempo necessario, erogando in definitiva una certa quantità di energia, per cui abbiamo gli accumuli così detti “di potenza” e quelli così detti “di energia”.

Tipici accumuli di energia, ad esempio negli autoveicoli, sono i combustibili, mentre tipici accumuli di potenza nei circuiti elettrici sono i condensatori ed i magneti.

Limitando la nostra analisi ai sistemi per l’accumulo di energia elettrica, i più diffusi in ambito industriale appartengono a tre categorie principali: batterie, volani e supercondensatori, con caratteristiche differenti in termini di energia e potenza specifica.
Le batterie elettrochimiche sono infatti caratterizzate da elevati valori di energia (100 Wh/kg), ma hanno prestazioni ridotte in potenza (0,1 kW/kg) dal momento che ripetute sovracorrenti possono danneggiare la loro struttura interna, riducendo notevolmente le prestazioni attese e principalmente i tempi di vita. Al contrario i supercondensatori hanno energia specifica minore rispetto alle batterie (5 Wh/kg), ma valori più elevati di potenza (1,5 kW/kg). I volani presentano caratteristiche intermedie, ma hanno il loro principale limite nella ridotta modularità, ed in effetti quelli ad oggi disponibili sono stati sviluppati ciascuno per una specifica applicazione, ad esempio per un particolare tram, per una sottostazione elettrica, per un convoglio ad alta velocità.

I sistemi di accumulo di energia elettrica più comuni sono le batterie ed i condensatori, anche di grandissima capacità, e, per alcune applicazioni speciali, i volani. Questi ultimi, però, sono stati utilizzati più spesso come macchine costruite ad hoc per un impiego particolare, e quindi non ne esiste l’ampia disponibilità commerciale tipica delle batterie e dei supercondensatori, che possono essere di diverse tipologie. Se ne elencano di seguito le più importanti:

• batterie al piombo-acido
• batterie alcaline
• batterie litio-polimeri
• batterie sodio-cloruri metalici
• supercondensatori

Per una più approfondita descrizione delle grandezze che caratterizzano le batterie, e della normativa di riferimento, si rimanda al sito del Museo Storico virtuale dell’ AEI (http://www.aei.it/ita/museo/mp1_agen.htm).

Per una rapida analisi del problema dal punto di vista dell’utilizzatore è molto utile il così detto diagramma di Ragone, in figura 1, dove sono rappresentate le prestazioni operative, energia e potenza specifica, dei sistemi di accumulo elencati.
I tempi di scarica delle batterie variano da pochi minuti ad alcune ore, mentre per i supercondensatori variano da decine di millisecondi fino ad alcune decine di secondi. Le diagonali del diagramma forniscono informazioni sui tempi di scarica “ottimali” dell’energia immagazzinata.
Ottimali nel senso che nulla impedisce di scaricare una batteria in 5’ o un supercondensatore in mezz’ora, ma progettare in questo modo significa sottoutilizzare le caratteristiche di scarica rapida dei secondi o di maggiore energia specifica delle prime (e la batteria finisce per danneggiarsi, se questo avviene frequentemente).

In effetti, per ogni applicazione (impianto di movimentazione, power quality, adattamento tra produzione e generazione, ed altro) è possibile individuare una “tipica” potenza di scarica ed una “tipica” energia di scarica, il loro rapporto (P/E) è l’inverso di un tempo ed è pure rappresentato in figura.

Un sistema correttamente dimensionato deve infatti garantire contemporaneamente:

• una potenza massima P sufficiente a compensare il divario tra la potenza media e quella massima;
• un contenuto energetico E sufficiente ad evitare la scarica completa dell’accumulo durante ogni fase di richiesta di potenza.

e l’accumulo ottimale per ogni missione è quindi quello per il quale risulta soddisfatta la condizione:

perché corrisponde ad un accumulo che offre potenza ed energia nelle stesse proporzione richieste per l’esecuzione del ciclo Queste ed altre caratteristiche più generali delle diverse tipologie di batterie disponibili, sono poi riportate in tabella.

I sistemi di accumulo elettrico presentano potenziali di diffusione elevati nelle applicazioni del settore manifatturiero (e del terziario turistico), perché ritenuti in grado di realizzare interessanti recuperi energetici ed un sostanziale miglioramento della flessibilità gestionale.
Infatti, grazie all’applicazione di tecnologie innovative e alla liberalizzazione del mercato dell’energia, l’intensificazione dell’uso di elettricità potrebbe dare un forte contributo al programma di efficienza energetica nei settori produttivi, ottimizzando il minor consumo delle fonti, la saturazione degli impianti e la flessibilità degli impianti di utilizzo.
Tra le diverse tecnologie, l’utilizzo dell’accumulo elettrico può essere molto interessante per tutte quelle produzioni che utilizzano in modo intensivo energia elettrica per il processo produttivo, ma richiedono potenze di picco rilevanti rispetto al valore medio. In queste realtà, l’inserimento di accumuli elettrici permetterebbe di ridurre l’impegno di potenza richiesto dal distributore, con costi minori ed inferiori perdite legate all’impianto di stabilimento, o, in alternativa, di aumentare la produzione senza richiedere ampliamenti della fornitura.
Altri ambiti di applicazione sono quelli in cui è possibile il recupero di energia nelle fasi di frenatura elettrica e di discesa del carico, dove però, oltre ai provvedimenti specifici adottabili per migliorare il rendimento dei singoli componenti di un impianto elettrico, va compiuta una considerazione generale che collega le perdite con l’andamento dei profili di potenza, sia essa generata, trasportata oppure utilizzata. A parità di energia generata trasportata od utilizzata, la soluzione che dà luogo a minori perdite è infatti quella che corrisponde a diagrammi di carico costante: tanto più basso è il numero di ore di utilizzazione della potenza tanto più elevate sono le perdite di energia ed anche il costo di impianto.
Molto spesso però i cicli di lavoro dei carichi sono tutt’altro che livellati e sono caratterizzati da forti escursioni della potenza. In questi casi il conseguimento del cosiddetto “peak shaving” (livellamento dei picchi di assorbimento elettrico) attuato attraverso l’introduzione di accumuli energetici, può consentire vantaggi non trascurabili sulla riduzione delle perdite nelle reti a monte della sezione di prelievo, sul dimensionamento dell’impianto e sulla bolletta energetica.

Oltre a ridurre l’impegno di potenza richiesto dal distributore ed i consumi energetici, l’accumulo elettrico offre vantaggi aggiuntivi correlati alla qualità della fornitura di energia elettrica.
Oggi, più che in passato, la diffusione delle apparecchiature in tecnica elettronica richiede alti livelli qualitativi e continuità nell’alimentazione. In particolare bastano brevissime interruzioni o persino abbassamenti della tensione di alimentazione per arrestare interi processi produttivi con danni spesso ingenti. Soffermando l’attenzione soprattutto su questo aspetto si può ancora una volta rilevare la necessità di disporre di dispositivi di accumulo dell’energia per poter garantire l’alimentazione dei carichi anche in presenza di problemi nella rete pubblica di distribuzione. Vale la pena di rimarcare il fatto che il problema assume connotati differenti a seconda che si voglia proteggere il carico dalle lunghe interruzioni oppure dai semplici buchi di tensione. Nel primo caso la soluzione è rappresentata dai gruppi di continuità (UPS), è comunque necessario disporre di apparati di accumulo idonei ad immagazzinare alti valori di energia, quali ad esempio le batterie al piombo acido. Nel secondo potrebbe essere conveniente l’uso di supercondensatori, essendo richieste potenze, seppure consistenti, per breve tempo e quindi valori di energia immagazzinata relativamente modesti.

Per quanto riguarda altri aspetti della qualità, quali la compensazione delle armoniche, l’equilibratura dei carichi e la compensazione della potenza reattiva, possono adottarsi soluzioni caratterizzate da capacità di accumulo relativamente modeste.

Per concludere questa rapida panoramica sull’opportunità di introdurre nelle reti elettriche elementi di accumulo basterà infine ricordare la famiglia di applicazioni caratterizzate da carichi ad assorbimento intermittente.
Le fluttuazioni della tensione, correlate con prelievi variabili, possono generare in determinate condizione il problema del lamp-flicker (“sfarfallio” nelle lampade a scarica) che richiede necessariamente l’adozione di provvedimenti. Una possibile soluzione può essere ancora una volta quella di introdurre un sistema di accumulo con relativo convertitore di interfacciamento che, smussando i picchi di prelievi di potenza dalla rete, riduce l’entità del fenomeno a valori accettabili. L’introduzione di un accumulo elettrico nei diversi possibili ambiti applicativi può assolvere alle funzioni elencate:

• Generazione
  • Gestione energetica
  • Generazione di picco
  • Load following (inseguimento del carico)
  • Livellamento del carico
• Trasmissione e distribuzione
  • Controllo della tensione
  • Power quality (PQ, qualità della fornitura dell’energia elettrica)
  • Affidabilità del sistema
• Fonti rinnovabili
  • Adattamento tra produzione e carico
  • Controllo ed integrazione in rete
  • Riserva
• Servizi ausiliari
  • Risposta in frequenza
  • Riserva rotante
  • Riserva in standby
  • Riserva a lungo termine