Fotovoltaico e batterie su abitazione – l’esempio tipico di abitazione in Italia

Abbiamo recentemente parlato di sistemi di accumulo di energia elettrica poiché riteniamo che questo sia uno dei grandi temi del futuro del mondo dell’energia. Allo stesso tempo però li abbiamo anche criticati, costruttivamente, ritenendoli soltanto l’estrema ratio di un sistema elettrico che dovrebbe, per diventare veramente smart, anzitutto dotarsi di un efficiente sistema di previsione per le fonti rinnovabili non programmabili come solare ed eolico e, soprattutto, dovrebbe pretendere da ogni produttore dinamiche di regolazione partecipativa all’equilibrio fra domanda e offerta di energia in rete, istante per istante.

Abbiamo recentemente parlato di sistemi di accumulo di energia elettrica poiché riteniamo che questo sia uno dei grandi temi del futuro del mondo dell’energia. Allo stesso tempo però li abbiamo anche criticati, costruttivamente, ritenendoli soltanto l’estrema ratio di un sistema elettrico che dovrebbe, per diventare veramente smart, anzitutto dotarsi di un efficiente sistema di previsione per le fonti rinnovabili non programmabili come solare ed eolico e, soprattutto, dovrebbe pretendere da ogni produttore dinamiche di regolazione partecipativa all’equilibrio fra domanda e offerta di energia in rete, istante per istante. A valle di questo riteniamo che il mercato principale dei sistemi di accumulo, il loro primo campo di sviluppo, potrà essere quello dei sistemi di accumulo associati ad impianti fotovoltaici domestici. Quello che vi presentiamo nel presente articolo è il tipico caso di quello che viene definito sistema di accumulo time-shifting dove cioè la produzione di energia elettrica (nelle ore centrali della giornata quando c’è sole) non incontra la richiesta di energia elettrica, se non in minima parte, dell’utenza (solitamente in casa si è presenti la mattina, a pranzo raramente e dalle 19 in poi). Ecco quindi che nel presente articolo vi presentiamo uno studio approfondito di una tipica abitazione italiana con contratto di fornitura da 3kW nominali e un tetto ben orientato a disposizione. Analizzeremo lo scenario dell’abitazione senza fotovoltaico e senza batterie, poi con impianto fotovoltaico ma senza batterie e infine quello di un’ abitazione con entrambi i sistemi. Dovremmo chiaramente fare uno studio medio, perdendo inevitabilmente la precisione delle situazioni particolari e puntuali. In ogni caso, anche per questo argomento, analogamente alle fonti di produzione di energia rinnovabile, vogliamo partire e siamo dalla parte dei più piccoli soggetti privati perché questo crediamo che debba essere la filosofia per inseguire il sogno della democrazia elettrica: creare posti di lavoro distribuiti, generare energia laddove si produce, svincolare i singoli soggetti privati da onerosi contratti energetici che ne limitano la libertà individuale rafforzando anche il ruolo della rete come supervisore e garante. In quest’ottica ben vengano i sistemi di accumulo di energia, ben vengano le batterie associate ad impianti fotovoltaici di cui parleremo, anche se le nostre critiche e i nostri dubbi sui principi, e sulla vera efficacia ed efficienza dei sistemi di accumulo, permangono e sono di natura prettamente tecnica e di critica al loro impatto ambientale.

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Introduzione

Struttureremo l’articolo in modo molto semplice e lineare. Prenderemo ad esempio la casa media italiana con la famiglia di 4 persone e i suoi relativi consumi elettrici, la forniremo prima di impianto fotovoltaico connesso alla rete senza batterie, e poi aggiungeremo anche un sistema di accumulo per l’aumento dell’auto consumo domestico. Lo schema dell’articolo è schematizzato in Figura 1.

Figura 1 – struttura dell’analisi proposta dal team di Energyhunters per spiegare le differenze e i vantaggi di impianti fotovoltaici con o senza accumulo associato

1 – I consumi elettrici nella famiglia media Italiana

Per capire l’impatto di un sistema di generazione fotovoltaico e del relativo accumulo sui consumi domestici si deve prima avere ben presente l’ammontare di questi consumi. Riferendosi al sito dell’ AEEG [1] e operando varie ricerche nel settore abbiamo preso in esame il seguente caso, come medio rappresentativo del nostro paese:

Caratteristica Quantità
Numero componenti del numero familiare 4
Potenza nominale elettrica disponibile al contatore da contratto 3 kW
Consumi annui di energia 2750 kWh
Curva oraria dell’assorbimento di energia da rete Si veda Figura 2

Figura 2 – Andamento dell’assorbimento medio da rete elettrica per una famiglia media italiana con i dati a disposizione nel 2013 [1][2[3]], per una famiglia di 4 persone. In ascissa i kWh assorbiti dalla rete ogni 15 minuti, in ordinata il tempo rappresentativo delle 24 ore del giorno medio
I datiutilizzatii sono stati validati anche tramite le dichiarazioni di consumi domestici di TERNA[2] del 2013 divise per il numero di nuclei familiari del censimento ISTAT[3] del 2011 (66983000000 kWh per il residenziale /24611766 nuclei familiari = 2721 kWh per nucleo familiare). Consideriamo quindi estremamente solido il fondamento dell’ ammontare dei consumi. Riguardo alla curva di assorbimento l’abbiamo ipotizzata a partire dalle più recenti ricerche e soprattutto considerando una famiglia pressoché assente durante il giorno in casa che comincia a rincasare dalle ore 17 in poi.

2 – L’impianto fotovoltaico ed eventuale sistema di accumulo ad esso associabile

Per simulare l’impianto fotovoltaico medio italiano si è partiti dalla sua localizzazione ossia abbiamo considerato come se fosse installato alla latitudine media italiana. Come potenza di picco abbiamo preso la classica taglia residenziale da 3 kWp, ne è risultato il seguente impianto.

Caratteristica Quantità
Latitudine media Italia di installazione dell’impianto 41,868051° N (Roma, Roccaraso, Termoli)
Potenza di picco dei pannelli fotovoltaici 3 kWp
Percentuale di decurtamento delle prestazioni dovute a ombre, orientamenti non ottimali e perdite del sistema 25%
Inclinazione del tetto supposta 20°
Numero di pannelli necessari 11 pannelli da 270 Wp l’uno
Superficie necessaria per l’installazione dell’impianto 17,6 m2
Densità di potenza superficiale 168 Wp/m2
Produzione annua dell’impianto 4232 kWh
Producibilità supposta 1410 kWh/kWp
Costo totale dell’impianto 6500 €
Costo specifico dell’impianto 2166 €/kWp
Curva di produzione media annua Quella mostrata in Figura 3

La curva fotovoltaica di produzione dell’impianto tiene già conto, tramite un coefficiente correttivo al ribasso, di indisponibilità di rete, guasti, ombreggiamenti parziali e meteorologia. I dati sono stati elaborati a partire da dati reali e corretti con fonti teoriche e riscontri pratici.

Figura 3 – Andamento della curva di produzione media annua di un impianto fotovoltaico situato alla latitudine media italiana di 41° 52′ 4.99” N lungo la penisola Italiana. Sulle ordinate la percentuale di potenza di picco erogata dall’impianto, sulle ascisse il tempo durante la giornata media, si tenga conto che il picco di produzione è situato alle ore 13 anziché alle 12 quando il sole è allo zenit poiché la curva è calcolata con il fuso di Greenwich GMT mentre ci troviamo nel fuso orario GMT+1 (Europa Centrale).

Supponiamo adesso che si voglia associare all’impianto fotovoltaico un sistema di accumulo costituito da batterie. Ad oggi, come si è già sottolineato nel nostro articolo, le batterie sono l’unico mezzo di accumulo di energia elettrica con un rapporto costi/benefici (e in questo caso applicabilità ad un’ abitazione) accettabile. Supponiamone di seguito le caratteristiche.

Caratteristica Quantità
Potenza di picco erogabile dalle batterie 3 kW
Energia immagazzinabile 3 kWh
Carica minima di base 0,1 kWh (3,3%)
Carica massima realizzabile 3 kWh (100%)
Costo di installazione 3000 €
Costo specifico di installazione 1000 €/kW
Gestione della carica Priorità 1: Alimentare i carichi domestici direttamente da fotovoltaico e ricaricare con l’eccedenza la batteria

Priorità 2: Alimentare i carichi con il fotovoltaico e sopperire a quanto non prodotto dall’impianto solare con la carica delle batterie

Priorità 4: Alimentare i carichi domestici con la carica delle batterie e prelevare dalla rete l’energia mancante, controllando continuamente che non sia realizzabile la priorità 1 o 2

Priorità 4: Alimentare i carichi con la rete elettrica e controllare continuamente che non sia realizzabile la priorità 1,2 o 3

Configurazione dell’impianto Vedi Figura 4
Tecnologia di accumulo Batterie agli ioni di Litio ad alta densità energetica

Le configurazioni di impianto realizzabili comprendenti il sistema di accumulo e l’ impianto fotovoltaico sono molteplici e già previste nelle norme CEI 0-16 e 0-21 [5] . Prenderemo ad esempio quella più semplice e probabilmente che avrà più diffusione. Lo schema elettrico unifilare è mostrato in Figura 4.

Figura 4 – Schema elettrico unifilare semplificato della configurazione di accumulo più probabile (ma solo una delle possibili) per combinare energia da fotovoltaico, sistema di accumulo e rete elettrica.

3 – Confronto tecnico economico fra le varie soluzioni

A questo punto abbiamo costruito il nostro impianto completo e possiamo andare a fare i raffronti fra le situazioni mostrate. Per iniziare andiamo a mostrare in un grafico, in Figura 5, l’andamento dell’energia scambiata con la rete nei tre casi in esame: abitazione normale senza impianti (profilo in rosso), abitazione con impianto fotovoltaico (in giallo), abitazione con impianto fotovoltaico e sistema di accumulo (in blu).

Figura 5 – IN ALTO: Profili di scambi energetici con la rete per l’abitazione tipo italiana, nella giornata media: IN ROSSO senza nessun impianto, IN GIALLO col solo impianto fotovoltaico, IN BLU e IN MEZZO il profilo energetico scambiato con la rete con impianto fotovoltaico associato al sistema di accumulo ipotizzato in precedenza. IN FONDO la quantità di carica presente nel sistema di accumulo durante la giornata media espressa in kWh.

La modifica della curva di energia scambiata con la rete (in rosso l’originale) cambia sostanzialmente man mano che andiamo ad aggiungere impianti di generazione o di stoccaggio all’abitazione. Quello che di fatto succede è che se si installa il solo impianto fotovoltaico, quando esso produce, la famiglia media non è in casa (se non per pranzo) e quindi non riesce ad auto consumare molta energia prodotta. L’installazione dei batterie o comunque di un sistema di accumulo aumenta immediatamente l’energia auto consumata coprendo principalmente i bisogni serali dalle 17 alle 22. L’esigenza dell’auto consumo è dettata dalla semplice constatazione economica che l’energia venduta in eccesso da fotovoltaico viene remunerata, in assenza, come oggi accade, di incentivi, circa 0,11 €/kWh mentre quella che acquisto per i consumi circa il doppio 0,22 €/kWh. Auto consumare la propria energia, di fatto, risulta quindi essere equivalente a venderla a 0,22 €/kWh non dovendola io acquistare. Per aumentare ulteriormente la quota auto consumo delle abitazioni sono e saranno in commercio anche dispositivi di sincronizzazione dell’accensione di elettrodomestici capaci di capire quando l’energia proviene da rete o quando da impianti propri di produzione, in grado quindi di spostare le curve di carico (la rossa) “dentro” alla curva di produzione fotovoltaica (la gialla). Per il momento però atteniamoci al caso medio preso in esame e andiamo a raffrontare i risultati ottenuti al termine della nostra analisi.

Abitazione normale Abitazione con fotovoltaico Abitazione con fotovoltaico e batterie da 3kWh Abitazione con fotovoltaico e batterie da 4kWh Abitazione con fotovoltaico e batterie da 5kWh
Energia necessaria all’abitazione [kWh/giorno] 7,514 7,514 7,514 7,514 7,514
Energia prelevata dalla rete [kWh/giorno] 7,514 4,651 1,777 0,74 0
Quota di energia prelevata dalla rete [%] 100% 61,9% 23,6% 9,88% 0%*
Quota auto prodotta (quota autoconsumo) [%] 0% 38,1% 76,34% 90,22% 100%*
Energia esportata in surplus [kWh/giorno] 0 8,725 5,58 4,62 4,041

*Le cifre sono calcolate nel giorno medio non tenendo conto di possibili periodi prolungati di assenza di luce solare o di indisponibilità dell’impianto. In generale è difficile comunque superare cifre di autoconsumo superiori al 90% nell’arco di un anno.

Queste sono quindi le cifre ottenute della nostra simulazione. I risultati, evidentemente, dipendono molto dal tipo di profilo di consumo dell’abitazione e dalla capacità di spostare i carichi nelle ore di funzionamento dell’impianto fotovoltaico oltre che dalla localizzazione dell’impianto (da nord a sud un impianto fotovoltaico può variare la sua producibilità anche del 50/60%) ma lo scenario analizzato, viste le ipotesi, può essere rappresentativo dello scenario domestico medio italiano. Si ricorda che i consumi domestici in Italia pesano per circa ¼ dei consumi totali nazionali di energia elettrica. La considerazione più importante da fare è però un’altra: l’impianto fotovoltaico medio in una giornata media e comunque nell’arco di un anno, produce più energia di quella che un’abitazione media consuma nell’arco dello stesso anno. Questo vuol dire semplicemente che l’indipendenza energetica domestica è mediamente possibile e che la fonte solare con la tecnologia di conversione attuale è in grado di produrre anche più energia di quella di cui abbiamo, mediamente, bisogno. La quota di indipendenza energetica raggiungibile può essere quindi aumentata anche fino al 100% aumentando la capacità delle batterie di accumulo. In Figura 6 il risultato della nostra simulazione tenendo immutati i consumi domestici e l’impianto fotovoltaico e cambiando solo la capacità delle batterie.

Figura 6 – Andamento della capacità di indipendenza energetica (autoconsumo) di un’abitazione media italiana con 3 kWp di fotovoltaico sul tetto al variare della capacità delle batterie di accumulo associate all’impianto. Si tenga presente che il totale autoconsumo non è mai raggiungibile se non per periodi limitati a causa della meteorologia, guasti ecc. Quello che è qui rappresentato è un andamento medio.

Nel grafico, anche se poco evidente, si notano due cambiamenti di pendenza rispettivamente a 4 e a 5 kWh. Il primo è dovuto al fatto che aumentando la capacità delle batterie esse cominciano a non incrementare più così tanto la possibilità di autoconsumo semplicemente per il fatto che i carichi di base notturni coperti sono bassi e influiscono poco sul totale, mentre la gran parte dei consumi diurni e serali è già coperto da una fornitura come quella supposta di 3kWh di batterie. Il secondo cambiamento è già al 100% dell’autoconsumo. Secondo la nostra simulazione quindi, 5 kWh circa di batterie assicurerebbero, in condizioni medie, l’indipendenza energetica totale di un abitazione (a meno di meteorologia sfavorevole ecc. qui non considerata per semplicità).

Considerazioni economiche

Ci resta da affrontare il conto economico di questi vari scenari. Bisogna anzitutto premettere che la cosa più difficile è stimare i costi legati all’acquisto di un impianto fotovoltaico con accumulo. Mentre per il solo impianto fotovoltaico i costi si aggirano ad oggi sui 2300€/kWp per un impianto installato e finito, quando ci si associa un impianto di accumulo i costi non sono più così facilmente individuabili poiché il mercato di questi impianto non è minimamente maturo ne stabile, da qui le difficoltà di dare un prezzo preciso all’impianto completo. In generale si sono fatte le seguenti ipotesi.

Caratteristica Quantità
Costo dell’energia acquistata da rete [€/kWh]

Si suppone che la famiglia sia rimasta al mercato di maggior tutela e non sia passata al mercato libero

0,22
Costo dell’energia venduta [€/kWh] 0,11
Fabbisogno medio giornaliero dell’abitazione [kWh/giorno] 7,55
Costo specifico di realizzazione impianto fotovoltaico (IVA inclusa) installato [€/kWp] 2160
Costo specifico di realizzazione impianto accumulo [€/kWh] 1000
Numero di cicli di carica e scarica completi equivalenti supposti ogni anno [-] 380
Numero di cicli di carica e scarica secondo la durata di vita delle batterie [-] 1800
Anni di vita delle batterie risultanti [anni] 5
Diminuzione del costo delle batterie ad ogni cambio [%]

(si suppone uno sviluppo tecnologico che possa sostituire il sistema di accumulo)

30
Tasso di attualizzazione [%] 4
Vita utile dell’impianto e orizzonte temporale considerato [anni] 25
Finanziamento di parte del capitale necessario alla costruzione NO
tutto capitale proprio

Come si evince dalla tabella precedente abbiamo fatto tutte le ipotesi classiche attualmente note per il settore. Si consideri inoltre che non si è tenuto conto del costo di aumento dell’energia da rete (di solito 1% all’anno o superiore) semplicemente perché non crediamo che questo avverrà come in passato e che andremo in futuro verso dinamiche deflattive anche in questo settore. L’altra ipotesi tenuta in considerazione è quella di usufruire (come sarà valido per tutto il 2015) la detrazione fiscale del 50% in 10 anni per la costruzione dell’impianto. I risultati economici principali sono mostrati nella tabella seguente:

Senza batterie ma con fotovoltaico Con fotovoltaico e batterie 3kWh Con fotovoltaico e batterie 4 kWh Con fotovoltaico e batterie 5kWh
Costo annuo dell’energia acquistata da rete [€] -€ 376,33 -€ 145,39 -€ 59,31 € 0,00
Risparmi da autoconsumo [€] € 230,07 € 461,01 € 547,09 € 606,40
Vendita di energia [€/anno] € 350,53 € 235,06 € 192,02 € 162,37
Totale da acquisto/vendita di energia [€] € 204,27 € 550,68 € 679,81 € 768,76
Costo impianto fotovoltaico [€] € 6.900 € 6.900 € 6.900 € 6.900
Costo batterie [€/5 anni] € 0 € 3.000 € 4.000 € 5.000
Detrazione fiscale 50% [€/anno] € 345 € 495 € 545 € 595
Rendimento dell’investimento [%] 77% 12,6% 23,93% 20,49%
Tempo di rientro dell’investimento [anni] 9 22 15 16
Guadagno nell’arco della vita utile dell’impianto [€] 5.346 2.069 4.306 4.225

Le nostre conclusioni sono ben evidenziate dalla tabella. Al momento, se si considerano davvero tutti i parametri possibili come la sostituzione delle batterie ogni 5 anni, è ad oggi più conveniente anche dal punto di vista economico installare un impianto fotovoltaico semplice piuttosto che uno con associato un sistema di accumulo. L’installazione delle batterie, ad oggi risulta essere onerosa dal punto di vista economico e quanto recuperato dal non acquisto dell’energia elettrica dalla rete (3/400€ all’anno) non è sufficiente per compensare l’investimento necessario per dotare l’impianto di questi sistemi (3/4000 €). A livello tecnico è invece evidente come il compromesso ideale costi/benefici sia, fra gli impianti dotati di accumulo, quello con 4 kWh di capacità elettrica delle batterie. Esso aumenta di molto la capacità di auto consumare l’energia e permette quindi di abbattere i tempi di rientro dell’investimento a 15 anni. In Figura 7 si da evidenza del conto economico per l’impianto con accumulo da 3kWh e quindi del riassunto dei tempi di rientro dell’investimento risultanti.

Figura 7 – IN ALTO Andamento dei flussi di cassa attualizzati per un impianto fotovoltaico da 3kWp associato ad un sistema di accumulo a batterie al litio da 3kWh in un orizzonte temporale di 25 anni. IN BASSO i vari tempi di pareggio o di rientro dell’investimento per le varie configurazioni di impianto studiate.

Conclusioni

Ad oggi il vero limite dei sistemi di accumulo associati agli impianti di produzione rinnovabile, è paradossale, sembrano essere proprio gli stessi sistemi di accumulo. La tecnologia agli ioni di litio, oggi la più flessibile e diffusa sul mercato per applicazioni di piccola taglia, è ancora troppo costosa per poter essere associata ad un impianto fotovoltaico. Senza fare calcoli precisi è chiaro che qualora il costo delle batterie di buona qualità (quelle cioè in grado di compiere almeno 1800/2000 cicli di carica/scarica completi) scendesse intorno ai 5/600€ al kWh si andrebbe a determinare immediatamente un conto economico molto diverso, con tempi di rientro di 10 anni per impianti completi. Ad oggi esistono già offerte di questo tipo sul mercato, ma abbiamo scelto, nel nostro articolo, una linea “di salvaguardia”, cautelativa, verso i nostri lettori, semplicemente perché siamo diffidenti sulle reali prestazioni e soprattutto sulla reale affidabilità di batterie a basso costo. Esistono sul mercato batterie a prezzi molto competitivi ma la loro durata nel tempo non è altrettanto garantita e, quindi, non è garantitile con altrettanta sicurezza il conto economico ad esse associato. Si è quindi deciso di immettere nel calcolo componenti di alta qualità con prezzi elevati ma sicuramente rappresentativi di una situazione reale. L’altra grande conclusione che viene da questo articolo è di carattere tecnologico e pratico. Inevitabilmente l’affidabilità dei sistemi decresce all’aumentare del numero di componenti che lo compongono. Gli impianti fotovoltaici hanno mostrato, grazie alla loro semplicità e staticità, grande affidabilità nei primi anni di servizio che stiamo vedendo, proprio grazie al ridotto numero di componenti (pannelli, inverter rete elettrica). Ecco allora che la cosa più intelligente da fare è quella di installare si un impianto fotovoltaico sul tetto (il cui tempo di rientro è ormai stabilmente minore di 10 anni per tutto il territorio nazionale) ma cercare, al contempo, di spostare i consumi, attraverso le abitudini o la domotica, nelle ore di produzione dell’impianto per esempio prendendo spunto da uno di questi consigli:

  • Avviare la lavatrice la mattina al momento che l’ultima persona esce di casa
  • Utilizzare la funzione timer per la lavapiatti e farla partire alle ore 13 dopo pranzo
  • Cercare di pulire la casa nelle ore di luce

Con questi semplici accorgimenti, e quindi senza il bisogno di introdurre nuovi sistemi come quello di accumulo, si è calcolato che è facilmente “traslabile” circa 1/3 dei consumi e che con grande attenzione si può addirittura arrivare a 2/3 arrivando facilmente a quote di autoconsumo vicine al 50%. Il caso di studio esaminato ci mostra quindi come, ancora una volta, non si abbia in generale reale bisogno di sistemi aggiuntivi (come quello di accumulo) bensì ci si debba semplicemente allineare al ciclo della natura che durante il giorno produce e trasforma la maggior parte dell’energia. Ecco quindi che nella semplicità e nell’uso cosciente delle risorse, che viene dalla conoscenza dello stato delle cose, risiede la chiave per un mondo migliore dove le risorse siano tutelate e condivise, dove nessuno debba vendere beni o servizi se non strettamente necessari e dove gli individui, grazie all’indipendenza ritrovata, possano prendere più consapevolezza di se e della natura, che, non ci dimentichiamo, ci ha donato la vita. Informiamoci, per cambiare.

References

[1]: La bolletta elettrica spiegata – AEEG – Autorità per l’Energia Elettrica e il Gas – http://www.autorita.energia.it/it/consumatori/bollettatrasp_ele.htm

[2]: Dati statistici sull’energia elettrica in Italia – 2013 – Fonte TERNA – http://www.terna.it/LinkClick.aspx?fileticket=8fzKlKgsmzY%3D&tabid=418&mid=2501

[3]: Censimento istat 2011: http://dati-censimentopopolazione.istat.it/

[4]: http://www.forbes.com/sites/peterdiamandis/2014/09/02/solar-energy-revolution-a-massive-opportunity/

[5]: Norme CEI di Riferimento – CEI 0-16: http://www.autorita.energia.it/allegati/docs/08/033-08argalla.pdf; CEI 0-21: http://www.ibc-solar.it/fileadmin/content/newsletter/CEI%200-21_V2.pdf

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