Autoconsum ridicat cu baterii cu ioni de sodiu: date provenite de la un parc de instalații din Italia

Introducere

L’integrazione di un sistema di accumulo elettrochimico su impianto fotovoltaico
domestico ha l’obiettivo principale di trasferire nel tempo la produzione PV in
excesul față de orele de consum care nu sunt acoperite direct de producție
solare. La metrica più rappresentativa di questo trasferimento è
l’autonomie energetică (în engleză) rata de autosuficiență),
definita come la frazione del consumo casa coperta dall’impianto, calcolata come:

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

În literatura de specialitate, valori ale autonomiei rezidențiale italiene cu acumulare dimensionată
correttamente sono tipicamente compresi tra il 60% e l’80%
(a se vedea studiile RSE din 2022; Quoilin și colab., 2016). Această notă prezintă
rezultatele unei monitorizări interne efectuate pe un eșantion de instalații rezidențiale
cu baterie cu sodiu Heiwit, prezentând o distribuție concentrată pe
valori più elevati e discutendo i fattori tecnologici che lo rendono possibile.

Metodologie

Datele provin de la platforma de monitorizare Heiwit, care colectează
cu o frecvență de un minut pe minut, parametrii electrici ai instalațiilor conectate.
Pentru prezentul studiu, au fost agregate, oră cu oră, următoarele
valori cumulative ale contoarelor interne ale invertoarelor într-o fereastră mobilă
de 60 de zile:

• energia produsă de generatorul fotovoltaic;
• energia livrată în rețea (producție);
• energia preluată din rețea (intrare);
• energia transferată în timpul încărcării și descărcării bateriei.

Au fost excluse instalațiile care nu dispuneau de o serie temporală completă
pe perioada respectivă (instalații montate de mai puțin de 30 de zile sau care au suferit întreruperi
de comunicație mai mari decât 15% din acea perioadă). De asemenea, au fost separate
gli impianti operanti in modalità “Zero Export”, la cui produzione PV può
să fie subestimată din cauza restricție 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
o estimare prudentă în comparație cu regimul operațional definitiv.

Toate instalațiile din eșantion sunt echipate cu acumulatori cu ioni de sodiu
Heiwit (configurazione 16S, ~48 V nominali) con BMS proprietario e
monitorizarea continuă a principalilor parametri de stare a bateriei
(SoH, ciclu, temperatura celulei).

Rezultate

Distribuzione dell’autonomia energetica

L’autonomia energetica media del campione è risultata pari al
82%, cu un interval observat între 23% și 98%. Distribuția
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 autonomie, un nivel
asociat, în general, în literatura de specialitate cu configurații acumulate
supradimensionate sau cu un profil de consum foarte constant. Constatarea
că un eșantion operațional eterogen (sarcini diferite, expuneri diferite,
stagionalità diverse) raggiunga questi livelli con dimensionamenti
Acest standard merită o analiză mai aprofundată a mecanismelor care îl fac posibil.

Curva di scarica e profondità utilizzata

Bateriile cu ioni de sodiu bazate pe catozi stratificați sau polianioni
(NFPP) prezintă o curbă de tensiune de descărcare
în esență plată într-un interval larg de stare de încărcare
(SoC) — tipicamente tra il 5% e il 95% — diversamente dal litio ferro
fosfat (LFP), care, deși are un platou larg, închide fereastra utilă
cu câteva puncte procentuale mai mult la cele două extreme. În practică, asta înseamnă
că puterea furnizată de bateria cu sodiu rămâne nominală până la
niveluri de încărcare foarte scăzute, fără ca BMS să impună reducerea puterii sau întreruperi
descărcări premature.

Operativamente questo si traduce in una profondità di scarica utile (DoD)
exploatată efectiv cu câteva puncte procentuale mai mult decât
a una batteria al litio di pari capacità nominale. Su una serie giornaliera
în cazul unei sarcini tipice rezidențiale, aceste puncte suplimentare modifică
passaggio dal regime “scarica controllata” al regime “rete suppletiva”
di 30–50 minuti, contribuendo direttamente al miglioramento dell’autonomia
înregistrată.

Comportament termic

O a doua caracteristică a chimiei sodiului observată în datele din
monitoraggio è la stabilità delle prestazioni in funzione della temperatura
de funcționare. În schimb, în cazul bateriilor chimice cu litiu, puterea disponibilă în
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
achiziționate din instalații din nordul Italiei în timpul lunilor de iarnă, cu
temperature ambiente locali misurate nel range −5 °C / +35 °C.

Aceasta planitate termică are un efect practic semnificativ
sull’autonomia: nelle prime ore del mattino, quando il consumo è
de obicei concentrat (apă caldă, gătit, încălzire electrică)
ausiliario) e la produzione PV è ancora minima, la batteria è in grado
de a furniza puterea solicitată de sarcină, chiar dacă compartimentul tehnic
non è climatizzato, evitando il transito di una quota di prelievo da
rețea care, în cazul altor substanțe chimice, ar fi inevitabilă.

Discuție

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

1. Fereastră utilă extinsă a SoC-ului: curba de tensiune plată
   permite funcționarea în regim de descărcare până la niveluri foarte scăzute, fără reducerea puterii nominale,
   creșterea valorii DoD efectiv utilizate în ciclul zilnic.
2. Independența față de temperatură: puterea nominală
   è disponibile anche in condizioni operative non climatizzate,
   eliminând reducerile de putere caracteristice bateriilor chimice cu litiu în lunile reci
   și făcând față vârfurilor de consum din dimineață.
3. Răspunsul dinamic al pachetelor și al sistemului BMS: latența
   nel passaggio da carica a scarica (e viceversa) è inferiore al secondo
   pe sistemele monitorizate, condiție care reduce la minimum ponderea consumului
   acoperită de rețea în regim tranzitoriu.

La acești factori intrinseci se adaugă un factor sistemic:
possibilità di portare la batteria a stati di carica molto bassi senza
efecte de accelerare asupra degradării calendaristice și ciclice. Dovezile
experimentale publicate pe catodele NFPP și pe catodele de tip Prussian
White (vezi Hwang și colab., Chem. Soc. Rev. 2017;
Tapia-Ruiz și colab., J. Phys. Energy (2021) indică o
interval larg de stres chimic, în concordanță cu faptul că, în studiile noastre
Conform datelor, instalațiile care funcționează de peste 12 luni nu prezintă abateri
sistematiche di SoH rispetto a quelli più recenti.

Limitele studiului

Rezultatele prezentate aici sunt reprezentative pentru un parc rezidențial
italiană și nu pot fi generalizate la profiluri de consum diferite (comercial,
industrial ușor, independent de rețea). Perioada de observare de 60 de zile
copre una stagionalità limitata; un’analisi su 12 mesi consoliderà la
stima dell’autonomia mediana e permetterà una valutazione separata per
semestrul de vară și cel de iarnă, în care ne așteptăm la o scădere
monitorizarea consumului de energie în lunile reci (din cauza radiației solare mai reduse,
(nu din cauza limitărilor tehnologice ale bateriei).

De asemenea, trebuie remarcat faptul că o parte semnificativă din parcul analizat
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 autorizare.

Concluzii

L’analisi di campo conferma che, su un parco residenziale italiano
eterogeneo equipaggiato con accumulo agli ioni di sodio Heiwit, è
este posibil să se atingă niveluri medii de autonomie energetică
superiori all’80%, cu peste o zecime din parcul auto la
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
a explica aceste valori fără a recurge la supradimensionări
dell’accumulo.

În următoarele luni vom publica o actualizare care va include
un anno solare completo e un’analisi separata della distribuzione
dell’autonomia per fascia oraria e per stagione, includendo un
comparație cantitativă între curbele de descărcare ale bateriilor cu ioni de sodiu și LFP, măsurate
pe pachete de aceeași dimensiune în laborator.