La normativa californiana definisce un sistema di accumulo di energia come ”Una tecno-logia commercialmente disponibile che è in grado di assorbire energia, immagazzinarla per un periodo di tempo, e successivamente cederla” traduzione [48]. Nella pratica un sistema di accumulo è rappresentato da un componente o da una serie di componenti che han-no la capacità di immagazzinare energia e/o materia e rilasciarla/e nei tempi desiderati.
4.2 I sistemi di accumulo e il loro utilizzo nei sistemi di conversione 105 Nella definizione sono facilmente distinguibili le tre fasi caratteristiche di tutti i sistemi d’accumulo [49]:
• Carica: quando in un determinato intervallo temporale si ha un aumento della quantità di energia e/o di massa contenuta nell’accumulo, ciò può essere espresso matematicamente come:
∂U (t)
∂t > 0 e/o ∂M a(t)
∂t > 0
con U(t) l’energia interna contenuta nel sistema d’accumulo e Ma(t) la massa con-tenuta nello stesso sistema.
• Stoccaggio: quando in un determinato intervallo temporale la quantità di ener-gia e/o massa rimane costante all’interno dell’accumulo, ciò può essere espresso matematicamente come:
∂U (t)
∂t = 0 e/o ∂M a(t)
∂t = 0
definiti come sopra.
• Scarica: quando in un determinato intervallo temporale si ha una diminuzione della quantità di energia e/o di massa contenuta nell’accumulo, ciò può essere espresso matematicamente come:
∂U (t)
∂t < 0 e/o ∂M a(t)
∂t < 0
definiti come sopra.
I sistemi d’accumulo trovano applicazioni in vari campi, dallo stoccaggio di alimenti nei magazzini dei supermercati alle batterie agli ioni di litio utilizzate nei telefoni cellulari. Prima di proseguire con la trattazione è utile anticipare un concetto che verrà spiegato ampiamente nel paragrafo 4.5. In questa analisi i sistemi d’accumulo saranno trattati al pari delle unità di trasformazione, e perciò saranno rappresentati da delle black-box. Come detto precedentemente l’analisi tramite black-box permette di esaminare il comportamento del componente esclusivamente considerando le relazione trai flussi che vi interagiscono e quindi senza analizzare nel dettaglio il funzionamento dello stesso. Questa assunzione è stata presa in conformità al grado di dettaglio assunto in tutta la trattazione, ma non impedisce comunque di svolgere considerazione di carattere generale. Ogni diverso sistema di accumulo può accumulare esclusivamente flussi appartenenti ad una specifica categoria (vedi par. 1.2 ). Ciò significa che in ingresso e in uscita dal componente saranno presenti esclusivamente flussi appartenenti alla stessa categoria. Si ricorda che i flussi identificano potenze e portate, per cui quando si parla di accumulo di flussi si intende l’accumulo del-l’energia e/o della massa che essi trasportano.
L’accumulo in definitiva crea la possibilità di svincolare le tre fasi caratteristiche di un si-stema energetico: acquisizione dei flussi dall’ambiente (sorgenti), conversione, cessione dei flussi all’ambiente (utenze). Questa possibilità può portare benefici sia in fase di progetto sia in fase di funzionamento di un sistema, inoltre in alcuni casi il funzionamento dell’in-terno sistema non può prescindere dalla presenza di un sistema di stoccaggio (ad esempi in molti impianti stand alone). Si possono distinguere quattro casi in cui la presenza dell’accumulo sia vantaggiosa o indispensabile.
Progetto: In questa fase i sistemi d’accumulo sono utilizzati per livellare il carico. Il livellamento del carico permette di shiftare la produzione di un determinato flusso di massa o energia da una fase temporale in cui si ha una richiesta alta (definita picco) ad
106 Sistemi di accumulo: interazioni con il Macro-Sistema e modellazione una fase in cui la richiesta è relativamente bassa (fuori picco). Quest’operazione può essere svolta egregiamente dai sistemi d’accumulo poiché essi presentano proprio la caratteristica di poter svincolare la fase di conversione dalla fase di cessione all’utenza. Nella fase di fuori picco quindi il sistema produrrà i flussi necessari a soddisfare l’utenza e a caricare l’accumulo, nella fase di picco invece la richiesta di flussi da parte dell’utenza sarà sod-disfatta in parte dal sistema e in parte dall’accumulo. Questo ha una grande influenza nella fase di dimensionamento di un sistema. Infatti, la presenza dell’accumulo permette di dimensionare il sistema non più sulla massima potenza o portata richiesta dall’utenza, bensì su valori inferiori. Ciò è facilmente spiegabile poiché, in assenza dell’accumulo un qualsiasi sistema deve essere progettato in modo da garantire il soddisfacimento dell’utenza per tutti i valori richiesti, e questo implica che la taglia del sistema debba essere assunta almeno pari al massimo carico richiesto. In presenza di accumulo la massima richiesta è soddisfatta in parte dal sistema e in parte dall’accumulo, e quindi non è necessario dimen-sionare il sistema sul carico massimo. [50] Nel capitolo seguente verrà portato un esempio di quanto detto.
Funzionamento: in questa fase l’accumulo comporta benefici poiché permette al si-stema di non dover seguire esattamente l’andamento del carico richiesto dall’utenza e di non esser dipendente dall’andamento temporale delle sorgenti. Ciò implica che il fun-zionamento del sistema, ovviamente in relazione alle capacità dell’accumulo, possa essere ottimizzato tendo conto solo parzialmente dei vincoli posti dalle utenze e dalle sorgenti. Di conseguenza l’accumulo permette al sistema di lavorare maggiormente al carico nominale o in condizioni di massimo rendimento, di ridurre il numero di accensioni e spegnimento degli impianti, di compensare le rampe di carico, ecc. Tutto ciò si tramuta in benefici economici ed ambientali, poiché un ponderato utilizzo del sistema porta alla diminuzione dei costi d’esercizio ad esempio in riferimento al consumo di combustibili fossili, e di conse-guenza anche in termini di emissioni oppure in relazione all’acquisto di flussi dall’ambiente ( prelievo di energia elettrica dalla rete di distribuzione).[50], [51].
Fattibilità: in molti casi le richieste poste dall’utenza non possono essere soddisfatte poiché le sorgenti non presentano dei valori tali da sopperire alla richiesta. Il caso tipico sono i sistemi stand-alone in cui ci si ha la presenza di fonti rinnovabili e/o intermittenti. In questi casi è assai difficile che l’andamento temporale dell’utenza coincida precisamente con l’andamento temporale della sorgente. La risoluzione di questo problema implica che venga installato un componete d’accumulo per permettere l’immagazzinamento dell’energia o della materia quando essa sia disponibile e la cessione delle stesse alle utenze quando esse lo richiedano. In definitiva si sfrutta la possibilità creata dall’accumulo di svincolare temporalmente la fase di acquisizione e conversione da quella di cessione all’utenza.
Altre: i sistemi di accumulo sono utilizzati anche con altre finalità. Molte delle quali sono connesse alla qualità del servizio di distribuzione dell’energia elettrica. Di seguito verranno citati i principali benefici senza soffermarsi nel particolare poiché essi soni esclusi dallo scopo di questo lavoro di tesi, ed inoltre presentano valori temporali connessi al processo di carica e scarica molto inferiori ai tempi caratteristici per i sistemi analizzati in questo lavoro. In relazione alla rete di distribuzione dell’energia elettrica i sistemi d’accumulo sono utilizzati per [50]:
• Regolazione di frequenza e smorzamento delle oscillazioni: riferito alla stabilità del sistema in relazione alle variazioni di carico.
4.3 Review sui principali sistemi d’accumulo 107