Elevado autoconsumo com baterias de iões de sódio: dados de um conjunto de instalações italianas

Introdução

L’integrazione di un sistema di accumulo elettrochimico su impianto fotovoltaico
domestico ha l’obiettivo principale di trasferire nel tempo la produzione PV in
excesso em relação às horas de consumo não cobertas diretamente pela produção
solare. La metrica più rappresentativa di questo trasferimento è
l’autonomia energética (em inglês rácio de autossuficiência),
definita come la frazione del consumo casa coperta dall’impianto, calcolata come:

autonomia (%) = (consumo totale − prelievo da rete) / consumo totale × 100

Na literatura, valores de autonomia residencial italiana com acumulação dimensionada
correttamente sono tipicamente compresi tra il 60% e l’80%
(ver estudos da RSE de 2022; Quoilin et al., 2016). Esta nota apresenta
os resultados de um acompanhamento interno realizado numa amostra de instalações residenciais
com uma bateria de sódio Heiwit, apresentando uma distribuição concentrada em
valori più elevati e discutendo i fattori tecnologici che lo rendono possibile.

Metodologia

Os dados provêm da plataforma de monitorização Heiwit, que recolhe
a cada minuto, os parâmetros elétricos das instalações ligadas.
Para o presente estudo, foram agregados, hora a hora, os seguintes
valores acumulados dos contadores internos do inversor numa janela móvel
de 60 dias:

• energia produzida pelo gerador fotovoltaico;
• energia fornecida à rede (produção);
• energia retirada da rede (entrada);
• energia transferida durante o carregamento e a descarga da bateria.

Foram excluídas as instalações que não dispunham de uma série temporal completa
ao longo do período (instalações com menos de 30 dias ou com interrupções
de comunicação superiores a 15% do tempo). Foram ainda segregados
gli impianti operanti in modalità “Zero Export”, la cui produzione PV può
pode estar subestimada devido ao redução imposto dall’inverter
in attesa dell’autorizzazione di connessione alla rete: per questi sistemi
l’autonomia è comunque calcolabile, ma con la consapevolezza che si tratta
de uma estimativa conservadora em relação ao regime operacional definitivo.

Todas as instalações da amostra estão equipadas com um acumulador de iões de sódio
Heiwit (configurazione 16S, ~48 V nominali) con BMS proprietario e
monitorização contínua dos principais parâmetros de estado da bateria
(SoH, ciclo de funcionamento, temperatura da célula).

Resultados

Distribuzione dell’autonomia energetica

L’autonomia energetica media del campione è risultata pari al
82%, com um intervalo observado entre 23% e 98%. A distribuição
è marcatamente sbilanciata verso valori alti, con la grande maggioranza degli
impianti compresa tra l’80% e il 95%.

Il dato che emerge con maggiore evidenza è la concentrazione di oltre il
68% del parco al di sopra dell’80% de autonomia, um nível
geralmente associado, na literatura, a configurações acumuladas
sobredimensionadas ou com padrões de consumo muito regulares. A constatação
que uma amostra operacional heterogénea (cargas diferentes, exposições diferentes,
stagionalità diverse) raggiunga questi livelli con dimensionamenti
Este padrão merece uma análise mais aprofundada dos mecanismos que o tornam possível.

Curva di scarica e profondità utilizzata

As baterias de iões de sódio baseadas em cátodos em camadas ou polianíons
(NFPP) apresentam uma curva de tensão de descarga
essencialmente plana num amplo intervalo de estado de carga
(SoC) — tipicamente tra il 5% e il 95% — diversamente dal litio ferro
fosfato (LFP), que, embora tenha um platô amplo, encerra a janela útil
alguns pontos percentuais a mais em ambos os extremos. Na prática, isso significa
que a potência fornecida pela bateria de sódio permanece nominal até
níveis de carga muito baixos, sem que o BMS imponha uma redução da potência ou cortes
descargas precoces.

Operativamente questo si traduce in una profondità di scarica utile (DoD)
efetivamente aproveitada em alguns pontos percentuais acima de
a una batteria al litio di pari capacità nominale. Su una serie giornaliera
num consumo residencial típico, estes pontos adicionais alteram o
passaggio dal regime “scarica controllata” al regime “rete suppletiva”
di 30–50 minuti, contribuendo direttamente al miglioramento dell’autonomia
registada.

Comportamento térmico

Uma segunda característica da química do sódio observada nos dados de
monitoraggio è la stabilità delle prestazioni in funzione della temperatura
de funcionamento. Já no caso das baterias de lítio, a potência disponível em
scarica scende sensibilmente sotto i +5 °C e in carica viene
tipicamente limitata sotto 0 °C, sui pacchi Na-ion del campione la
potenza nominale di scarica si è mantenuta costante anche sui dataset
adquiridos em instalações do norte de Itália durante os meses de inverno, com
temperature ambiente locali misurate nel range −5 °C / +35 °C.

Esta planicidade a energia térmica tem um efeito prático significativo
sull’autonomia: nelle prime ore del mattino, quando il consumo è
tipicamente concentrado (água quente, cozedura, aquecimento elétrico
ausiliario) e la produzione PV è ancora minima, la batteria è in grado
fornecer a potência exigida pela carga, mesmo que o compartimento técnico
non è climatizzato, evitando il transito di una quota di prelievo da
rede que, com outras substâncias químicas, seria inevitável.

Discussão

Il fattore principale che spiega l’elevata autonomia osservata, nel campione
analizzato, è la combinazione di tre elementi tipici della tecnologia al sodio:

1. Janela útil alargada do SoC: a curva de tensão plana
   permite operar em descarga até níveis muito baixos sem redução da potência nominal,
   aumentando o DoD efetivamente aproveitado no ciclo diário.
2. Independência em relação à temperatura: a potência nominal
   è disponibile anche in condizioni operative non climatizzate,
   eliminando as perdas de potência típicas das baterias de lítio nos meses frios
   e suportando os picos de carga matinais.
3. Resposta dinâmica dos pacotes e do BMS: a latência
   nel passaggio da carica a scarica (e viceversa) è inferiore al secondo
   nos sistemas monitorizados, condição que minimiza a fração de consumo
   coberta pela rede em regime transitório.

A estes fatores intrínsecos acrescenta-se um fator sistémico: a
possibilità di portare la batteria a stati di carica molto bassi senza
efeitos aceleradores na degradação calendarial e cíclica. As evidências
experimentais publicadas sobre os cátodos NFPP e sobre cátodos do tipo Prussian
White (ver Hwang et al., Chem. Soc. Rev. 2017;
Tapia-Ruiz et al., J. Phys. Energy (2021) indicam uma
ampla janela de stress químico, o que está em consonância com o facto de que, nos nossos
De acordo com os dados, as instalações em funcionamento há mais de 12 meses não apresentam desvios
sistematiche di SoH rispetto a quelli più recenti.

Limitações do estudo

Os resultados aqui apresentados são indicativos de um parque habitacional
italiano e não devem ser generalizados a perfis de consumo diferentes (comercial,
industrial ligeiro, fora da rede). O período de observação de 60 dias
copre una stagionalità limitata; un’analisi su 12 mesi consoliderà la
stima dell’autonomia mediana e permetterà una valutazione separata per
semestres de verão e de inverno, em que prevemos uma contração
controlo da métrica nos meses frios (devido à menor radiação solar,
(não devido a limitações tecnológicas da bateria).

É ainda de salientar que uma parte não negligenciável do parque analisado
è in regime “Zero Export” in attesa di autorizzazione di connessione
definitiva, condizione in cui l’inverter limita la produzione PV. Per
questi impianti la metrica di autonomia è una sottostima rispetto al
regime di esercizio nominale: ci si attende un’ulteriore traslazione
della distribuzione verso valori più elevati una volta completato l’iter
de autorização.

Conclusões

L’analisi di campo conferma che, su un parco residenziale italiano
eterogeneo equipaggiato con accumulo agli ioni di sodio Heiwit, è
é possível atingir níveis de autonomia energética, em média,
superiori all’80%, com mais de um décimo do parque em
vertici della scala (≥ 95%). Le caratteristiche distintive della
tecnologia al sodio — curva di scarica piatta, indipendenza dalla
temperatura operativa, finestra utile di SoC ampia — concorrono a
explicar estes valores sem recorrer a sobredimensionamentos
dell’accumulo.

Nos próximos meses, iremos publicar uma atualização com a cobertura de
un anno solare completo e un’analisi separata della distribuzione
dell’autonomia per fascia oraria e per stagione, includendo un
comparação quantitativa da curva de descarga entre o Na-ion e o LFP, medida
em embalagens do mesmo tamanho no laboratório.