BATTERIA

L’analisi del sistema richiede lo studio di diverse variabili e caratteristiche di funzionamento per il dimensionamento ottimale tra l’elettrolizzatore e la batteria. L’obiettivo principale è quello di minimizzare le perdite energetiche utilizzando un sistema di logica gestione per poter regolare i flussi di energia dei due dispositivi.

Sfruttando l’energia accumulata dalla batteria si ha il duplice obiettivo da un lato di ridurre la degradazione dell’elettrolizzatore limitando il numero di spegnimenti e dall’altro di massimizzare la produzione di idrogeno.

L’utilizzo dell’accumulatore elettrochimico in grado di fornire energia elettrica durante i periodi di mancata o insufficiente produzione di energia eolica aiuta a garantire un funzionamento più continuo dell’elettrolizzatore, inoltre permette di far funzionare, in alcuni casi, l’AEL a carichi parziali dove la sua efficienza risulta più elevata. Tuttavia il sistema di accumulo rappresenta un ulteriore dispositivo elettrico all’interno del sistema che, per garantire condizioni ottimali per un determinato periodo di tempo, deve essere utilizzato in modo corretto.

Un parametro fondamentale che definisce l’utilizzo di una batteria è l’andamento dello stato di carica nel tempo, cioè la quantità di energia disponibile all’interno dell’accumulatore. Nel caso in cui lo stato di carica risulta elevato significa che la batteria risulta superflua nel sistema, perché non si sta utilizzando nel modo corretto, nell’altro caso vuol dire che la batteria rimane quasi sempre scarica di energia perché viene utilizzata in maniera eccessiva. In quest’ottica gioca un ruolo chiave la logica di gestione che stabilisce i flussi energetici ai due dispositivi in funzione delle soglie di SOC imposte pari al 30% e 90%, influenzando lo stato di carica medio.

Dalla Figura 4.1, si vede che gli elettrolizzatori di potenza inferiore rispetto alla massima prodotta dalla turbina eolica, hanno un livello di stato di carica medio

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superiore all’88%. Una percentuale molto elevata di SOC indica un ridotto utilizzo della capacità del sistema di accumulo e quindi un errato sfruttamento dell’energia accumulata.

Contrariamente agli elettrolizzatori con potenze nominali più basse, quelli di taglia superiore o uguale a 1500 kW mediamente richiedono al sistema di accumulo più energia quando la potenza prodotta dalla turbina è bassa, per questo motivo lo stato di carica medio della batteria risulta inferiore. Inoltre si nota dal grafico, come il valore medio dello stato di carica dell’accumulatore, all’aumentare della sua capacità, per taglie di elettrolizzatori maggiori o uguali a 1500 kW diminuisce perché l’alcalino riesce a sfruttare più energia immagazzinata. Invece, il picco a basse capacità della batteria è dovuto alla logica di gestione.

Per studiare il funzionamento della batteria, oltre al suo valore di SOC medio, risulta interessante analizzare il discostamento dei valori assunti dall’SOC rispetto al valore medio, cioè la deviazione standard dell’SOC. In questo modo è possibile esaminare le soglie di lavoro della batteria, quindi stabilire il range di operabilità dello stato di carica dell’accumulatore elettrochimico.

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La Figura 4.2 mostra l’andamento della deviazione standard, chiamata anche “scarto quadratico medio”, dello stato di carica della batteria che assume valori compresi tra 18 e 26 per tutte le taglie di elettrolizzatori considerati.

Inoltre, si vede dalla Figura 4.2 come, a parità di potenza dell’elettrolizzatore, la deviazione standard della batteria diminuisce con l’aumentare della sua capacità di accumulo. Questo comportamento viene attribuito al fatto che, essendo richiesta la stessa potenza all’elettrolizzatore, con l’aumento della capacità della batteria la sua percentuale di utilizzo risulterà inferiore e quindi di conseguenza diminuisce la variazione dello stato di carica rispetto al valore medio.

In Figura 4.3 viene mostrato il numero complessivo di scariche della batteria, indipendentemente dalla loro profondità, dove si evince che l’aumento della capacità di accumulo comporta una loro diminuzione, questo è dovuto al fatto che il parametro SOC varia più lentamente e i flussi di potenza da attribuire ad elettrolizzatore e batteria cambiano meno frequentemente.

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Oltre a quanto già detto, anche l’aumento della potenza dell’elettrolizzatore comporta un numero maggiore di scariche. Ciò è dovuto al fatto che, nei momenti in cui non è sufficiente l’energia prodotta dalla turbina eolica, un elettrolizzatore di taglia maggiore richiede più energia per il suo funzionamento all’accumulatore, scaricandolo più frequentemente.

Il numero di scariche non dà informazioni sulla loro profondità, quindi dopo le analisi svolte, tramite l’equazione 3.7, è stato valutato il numero di cicli equivalenti (N_eq) dell’accumulatore elettrochimico, cioè la somma delle profondità di ciascuna scarica.

La dimensione della capacità di accumulo influisce in modo determinante su N_eq perché, a parità di energia richiesta dall’elettrolizzatore, con una capacità maggiore la profondità di scarica risulterà minore e quindi anche il numero di cicli equivalenti sarà minore. Detto ciò, come mostra la Figura 4.4 il numero dei cicli equivalenti mostra lo stesso andamento del numero di scariche, inoltre, a parità di capacità di accumulo, questo parametro cresce all’aumentare della potenza nominale

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dell’elettrolizzatore perché per un alcalino di potenza maggiore, l’energia mediamente richiesta all’accumulatore sarà più elevata.

Infine, viene riportato in Figura 4.5 il capacity factor della batteria, che è un indice dell’utilizzo della capacità della batteria per l’accumulo di energia. Il capacity factor della batteria è definito come la sommatoria di tutte le variazioni positive dello stato di carica divisa per la durata dell’arco temporale simulato in ore tramite la seguente formula [16]: 𝐵𝑎𝑡𝑡𝑒𝑟𝑦 𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑦 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 =(∑ ∆SOC(i) 𝑁°𝑠𝑡𝑒𝑝 𝑖=1 /0.8) 𝑁° 𝑜𝑟𝑒 𝑠𝑖𝑚𝑢𝑙𝑎𝑡𝑒 [ℎ −1_{] (4.1)} 𝑁°𝑜𝑟𝑒 𝑠𝑖𝑚𝑢𝑙𝑎𝑡𝑒 = 8760 𝐶𝑜𝑛 ∆𝑆𝑂𝐶(𝑖) = {∆𝑆𝑂𝐶 = 𝑆𝑂𝐶(𝑖) − 𝑆𝑂𝐶(𝑖 − 1) 𝑠𝑒 ∆𝑆𝑂𝐶 > 0 0 𝑎𝑙𝑡𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑖

Per tenere conto della capacità della batteria effettivamente utilizzabile, ovvero solo l’80% del suo valore, la sommatoria delle variazioni dello stato di carica, espresse in unità, è stata divisa per 0.8.

Per come è stato definito questo parametro è strettamente legato al numero di cicli equivalenti della batteria: può essere interpretato come il numero medio di cicli

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equivalenti della batteria all’ora. Di conseguenza l’andamento, mostrato in Figura 4.5, corrisponde a quello del numero di cicli equivalenti (Figura 4.4).

Dalla figura si vede come il battery capacity factor, a basse capacità della batteria sia abbastanza elevato, infatti vengono riportati 6-12 cicli equivalenti l’ora dell’accumulatore. Questo risultato è compatibile con i risultati mostrati in Figura 4.4, infatti questo valore esprime l’utilizzo orario della capacità effettiva della batteria.