December 02, 2019
I sistemi di backup a batteria accoppiati al solare vengono acclamati come la migliore soluzione ai blackout di sicurezza pubblica in California – per non parlare della nostra arcaica rete elettrica.
Non solo questi sistemi sono ideali per alimentare una casa quando la corrente va via, ma aiutano anche a ridurre i costi dell’elettricità e a fornire servizi di supporto alla rete quando è necessario per l’utilità locale. Per ragioni di emissioni e di costi, i generatori convenzionali a gas o diesel non sono un’opzione.
Quindi non c’è da stupirsi che la domanda di questi sistemi superi l’offerta di attrezzature e la disponibilità di manodopera qualificata per l’installazione.
Limiti al backup a batteria per tutta la casa
Ma c’è una fregatura in questo. Ci piace credere al mito del backup di tutta la casa o alla nozione che il nostro stile di vita del 21° secolo continuerà senza sosta nonostante l’inferno di fuoco o l’acqua alta. La realtà è diversa: i tipici sistemi di backup a batteria funzionano meglio quando sono progettati per razionare la capacità della batteria e ridurre al minimo l’uso dei principali elettrodomestici.
I miti hanno spesso origini nei fatti: i sistemi a batteria per tutta la casa funzionano davvero per applicazioni off-grid. Ci sono circa 180.000 case di questo tipo negli Stati Uniti.
Ma queste case sono state progettate per la vita off-grid: sono tipicamente più piccole e ben isolate; usano il riscaldamento a combustione con backup di propano; incorporano sistemi solari termici attivi e passivi; e non hanno sistemi di aria condizionata affamati di energia, caricatori EV di livello 2 o piscine.
Ci sono due limiti ingegneristici fondamentali che rendono impraticabile il funzionamento di una casa intera con la sola energia delle batterie. In primo luogo, la capacità energetica dei tipici sistemi di batterie agli ioni di litio è insufficiente per alimentare un’intera casa durante un blackout notturno. In secondo luogo, gli inverter di backup a batteria non sono abbastanza potenti per avviare e far funzionare molti grandi elettrodomestici.
Ovviamente, più batterie e inverter possono affrontare queste limitazioni di energia e potenza. Ma il costo di oltre 20 kilowatt di inverter e di oltre 40 kilowattora di batterie è proibitivo per il tipico proprietario di casa.
Un approccio più pratico è quello di progettare un sistema di backup a batteria per alimentare solo i carichi critici: nessun grande elettrodomestico come l’aria condizionata, caricatori EV da 240 volt o stufe elettriche. Invece, solo da quattro a otto circuiti più piccoli in casa per la refrigerazione, l’illuminazione, l’intrattenimento, le comunicazioni e le prese di convenienza.
Il nostro attuale stock di alloggi usa molta elettricità, e a causa di una pletora di dispositivi collegati, le case più nuove spesso ne usano ancora di più.
Gli elettrodomestici ad alto consumo sono più impegnativi per i sistemi di backup per tutta la casa. Il consumo di energia per un grande condizionatore d’aria centrale è di 5.000 watt, un caricatore EV è di 7.000 watt, una stufa elettrica è di 10.000 watt e le pompe della piscina sono di 2.200 watt.
Limiti di energia della batteria
Quindi, per quanto tempo un tipico sistema solare e a batteria funziona di notte mentre funziona questi grandi apparecchi? Risposta: non molto a lungo.
La matematica è semplice. Se la batteria è giù ad una capacità di energia di 2.5 kilowatt-ora di notte (tipico se la batteria è usata durante la sera per massimizzare il risparmio di autoconsumo), c’è solo abbastanza energia della batteria per eseguire le pompe della piscina per 60 minuti, un AC centrale per 30 minuti, un caricatore EV per 20 minuti o una stufa elettrica per 15 minuti.
Con uno qualsiasi di questi apparecchi in esecuzione – dopo solo un intervallo relativamente breve di backup automatico per tutta la casa – la batteria sarà presto morta e incapace di alimentare carichi critici. In termini lirici: Niente luci. Niente telefono. Nessuna auto elettrica. Non un singolo lusso. Come Robinson Crusoe, il più primitivo possibile.
Una possibile soluzione è quella di spegnere manualmente i grandi carichi di apparecchi durante un blackout. Sfortunatamente, molti blackout si verificano durante il giorno quando nessuno è in casa o di notte quando la gente dorme. I clienti che hanno provato a spegnere manualmente i carichi di solito finiscono per essere delusi dal loro sistema di backup.
Un’altra soluzione (se il budget di un proprietario di casa e lo spazio sulle pareti lo permettono) è quella di aggiungere una seconda batteria di accumulo – raddoppiando effettivamente la durata dell’accumulo di energia.
Negli ultimi mesi, abbiamo lavorato con clienti che hanno avuto una gamma di esperienze di backup della batteria buone e cattive. Durante il primo blackout nella nostra zona, avvenuto alle 22:30 circa, un cliente che usa una macchina a pressione positiva continua delle vie aeree (CPAP) ha esaurito la sua batteria di accumulo alle 2 di notte circa (ha iniziato a russare e sua moglie gli ha detto di dormire sul divano). Un altro cliente ha usato il sistema di backup per alimentare uno dei sottopannelli della sua casa, e non si è reso conto che c’era un’interruzione di corrente finché la batteria non si è esaurita.
La soluzione per entrambi i clienti è stata quella di rimuovere alcuni circuiti discrezionali dai loro sottopannelli di backup in modo che la batteria durasse tutta la notte.
Limiti di potenza dell’inverter
L’uscita massima di potenza dell’inverter a batteria (in kilowatt) è la seconda ragione del mito del backup dell’intera casa.
La maggior parte degli inverter di backup a batteria sono stati progettati per servizi elettrici domestici da 200 ampere, il che implica un’uscita CA massima di 7.600 watt quando sono collegati alla rete. Quando sono alimentati dalla batteria (che ha un tasso di scarico di picco limitato), questi inverter possono in genere fornire 5.000 watt di potenza costante o 6.000 watt di potenza di picco (circa 25 ampere).
Tuttavia, i requisiti di corrente di avvio momentaneo di un motore AC o di una pompa sono spesso due o tre volte il normale assorbimento di corrente – il che significa che l’inverter semplicemente non passerà alla modalità di backup. Anche se la batteria è completamente carica in una giornata di sole, l’AC e la pompa della piscina non partiranno, e nessuno dei carichi critici otterrà energia.
Progettazione di sistemi di backup a batteria accoppiata al solare
A prescindere da queste limitazioni energetiche, energetiche e finanziarie, un sistema solare e di backup ben progettato può fornire energia quasi indefinitamente. Tre elementi di progettazione sono critici.
In primo luogo, la capacità energetica della batteria (kilowattora) e l’uscita dell’inverter (kilowatt) dovrebbero essere abbinati alle esigenze della casa durante la notte quando la batteria è parzialmente scarica. In secondo luogo, il numero di circuiti di backup dovrebbe essere strettamente limitato per evitare di alimentare troppi piccoli dispositivi o grandi elettrodomestici. In terzo luogo, la dimensione del sistema solare dovrebbe essere sufficiente a ricaricare parzialmente la batteria anche in una giornata invernale nuvolosa.
Le prossime tecnologie di sistemi elettrici domestici intelligenti affronteranno queste limitazioni pratiche, liberando automaticamente i carichi durante un blackout. Alla fiera Solar Power International del 2019, le aziende hanno esposto controlli di elettrodomestici intelligenti e interruttori automatici che potrebbero disattivare automaticamente i grandi elettrodomestici. Era esposta anche la tecnologia dei pannelli elettrici intelligenti che potrebbero gestire automaticamente tutti i circuiti di una casa.
Entro la fine del 2019, ci saranno oltre 10.000 case e aziende in California dotate di sistemi combinati di backup solare e batteria. Man mano che questi sistemi diventeranno meno costosi (sia attraverso la riduzione dei costi delle attrezzature che attraverso gli incentivi), diventeranno il modo più rapido ed efficace per le persone di adattarsi alla nuova normalità delle interruzioni di corrente per motivi di sicurezza pubblica.
Per non parlare del modo più pulito, sicuro ed economico per ricostruire la nostra arcaica rete elettrica.
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Barry Cinnamon è amministratore delegato della californiana Cinnamon Energy Systems.