I sistemi solari fotovoltaici si basano sulla luce solare. I sistemi di accumulo dell'energia a batteria sono realizzati per l'assorbimento e il rilascio dell'energia al momento giusto. L'esempio di una calda giornata estiva sembra adattarsi perfettamente, poiché c'è molto sole, molta energia generata e un'elevata richiesta di raffreddamento, ma la realtà è molto più complicata. Come risultato delle crescenti ondate di calore, le temperature estreme hanno iniziato a fungere da prova che rivela i difetti, accelera il processo di degrado e mette in discussione quanto siano effettivamente sicuri i sistemi fotovoltaici e di accumulo.
Il paradosso solare: più sole, meno energia?
Sembra controintuitivo: i pannelli fotovoltaici convertono la luce solare in elettricità, quindi perché il clima più caldo riduce la loro produzione? La risposta sta nelcoefficiente di temperaturadelle celle fotovoltaiche.
Le condizioni di test standard valutano i moduli fotovoltaici a una temperatura della cella di 25 gradi con un irraggiamento di 1000 W/m². Sul campo, tuttavia, le temperature dei moduli salgono normalmente ben al di sopra della temperatura dell'aria ambiente nelle giornate calde e soleggiate. Le celle solari in silicio cristallino-la tecnologia dominante oggi-presentano un coefficiente di temperatura di potenza negativo, in genere compreso tra –0,38% e –0,44% per grado Celsius. Ciò significa che per ogni aumento di 1 grado della temperatura della cella, la potenza elettrica del modulo diminuisce di circa dallo 0,38% allo 0,44%.
Consideriamo un esempio pratico: se la temperatura della cella sale da 25 gradi a 65 gradi -uno scenario comune in un pomeriggio estivo-la perdita di potenza raggiunge circa il 16% (assumendo –0,4%/grado). In condizioni di ondate di caldo estreme, la temperatura delle celle può superare i 70 gradi, spingendo il declassamento totale oltre il 17%. Studi sul campo hanno dimostrato che durante le ondate di caldo prolungate, i parchi fotovoltaici possono perdere fino al 90% del loro potenziale di generazione oraria, non a causa della copertura nuvolosa, ma esclusivamente a causa degli effetti termici.
Tuttavia, va notato che la temperatura raramente è l’unico fattore coinvolto. Il calore gioca un ruolo aggravante quando esistono già altri problemi. Moduli sporchi, ombreggiatura parziale, crescita di piante ed eventuali parti danneggiate dei moduli diventano particolarmente importanti in condizioni di elevato irraggiamento e temperatura. Un esempio tipico può essere il fenomeno degli "hot spot", quando il modulo ombreggiato o danneggiato consuma energia invece di generarla, e quindi la temperatura in un determinato luogo aumenta. Inoltre, gli inverter fotovoltaici sono dispositivi elettronici con un raggio di funzionamento limitato. Pertanto, quando la temperatura ambiente aumenta, il grado di efficienza del raffreddamento dell'inverter si riduce, il che porta al surriscaldamento all'interno dell'inverter e che può provocare un declassamento o addirittura l'arresto-del sistema, aggravando così l'invecchiamento del modulo e riducendo l'efficienza dell'impianto solare in generale.
Batterie sotto tiro: il doppio colpo del calore
Per le batterie agli ioni di litio, il calore è ancora più problematico. Questi sistemi elettrochimici si degradano attraverso due meccanismi principali: l'invecchiamento del calendario (dipendente dal tempo-, indipendentemente dall'uso) e l'invecchiamento ciclico (indotto dalla carica-scarica). Entrambi sono fortemente influenzati dalla temperatura, dallo stato di carica (SoC), dalla profondità di scarica e dalle velocità di carica/scarica.
La ricerca mostra costantemente che l'alta temperatura, combinata con un SoC elevato e un ciclo profondo, accelera il calo drammatico della capacità. Nelle applicazioni accoppiate al fotovoltaico, le batterie vengono spesso caricate rapidamente durante i picchi solari di mezzogiorno, quindi mantenute a un SoC elevato per diverse ore mentre la temperatura ambiente rimane elevata. Questo schema operativo di-ricarica rapida seguita da un prolungato assorbimento di SoC elevato nel calore-è particolarmente dannoso. Per ogni aumento di 10 gradi della temperatura operativa media, il tasso di invecchiamento del calendario può quasi raddoppiare, secondo il comportamento di tipo Arrhenius osservato in molti prodotti chimici agli ioni di litio.
Oltre ai problemi di prestazione interna, un altro fattore critico è la sicurezza. Le batterie agli ioni di litio- possono andare incontro a una serie di problemi, come il sovraccarico o il danneggiamento a causa della forza meccanica o dei cortocircuiti all'interno dei suoi componenti. Di conseguenza, la temperatura della sorgente aumenta fino a 130 gradi e oltre; questo calcio-avvia una serie di reazioni all'interno della batteria, tra cui la rottura del SEI e l'evaporazione dell'elettrolito. Se la temperatura continua ad aumentare, la cella potrebbe aumentare la sua temperatura superficiale fino a oltre 1200 gradi e rilasciare gas infiammabile a temperature superiori a 600 gradi. Per le batterie di grandi dimensioni oggi ampiamente utilizzate nelle soluzioni industriali, la temperatura durante la fuoriuscita può raggiungere livelli superiori a 800 gradi.
I sistemi di gestione termica-raffreddamento ad aria, raffreddamento a liquido e materiali a cambiamento di fase-devono lavorare di più in condizioni calde, consumando energia parassita e riducendo l'efficienza complessiva del sistema. Quando la temperatura di una cella, rack o altro contenitore si avvicina a determinati limiti, il sistema di gestione della batteria (BMS) ridurrà automaticamente la potenza e limiterà la funzionalità. Sebbene gli attuali sistemi di accumulo dell'energia a batteria (BESS) contengano sensori di backup, sistemi antincendio e sistemi di raffreddamento, esistono ancora rischi di fuga termica poiché i difetti nella produzione delle singole celle possono rimanere inosservati finché non vengono esposte a temperature estreme. Pertanto, è fondamentale progettare questi sistemi in modo da prevenire l'escalation dei guasti, individuare i problemi che potrebbero portare alla-gasazione ed evitare che gli incidenti locali diventino disastri.
Sfide a livello di sistema: il Tango dello storage fotovoltaico
Negli impianti ibridi solare-più-accumulo, gli effetti termici convergono e interagiscono. Il campo fotovoltaico produce la massima energia durante i picchi di irraggiamento, ma ne perde una parte a causa del calore. Il sistema di accumulo, incaricato di assorbire l’energia in eccesso di mezzogiorno, subisce contemporaneamente il massimo stress di ricarica nelle ore più calde. Ciò crea un paradosso operativo: dal punto di vista dell’ottimizzazione della rete, ha senso caricare completamente la batteria a mezzogiorno e mantenerla a un SoC elevato per il picco di scarica serale; tuttavia, dal punto di vista della longevità e della sicurezza, la stessa strategia accelera il degrado e aumenta il rischio termico.
Pertanto, si può dire che non esiste una modalità operativa "migliore" universale. È necessario bilanciare i possibili ricavi derivanti dal commercio di energia, dall'ottimizzazione dell'auto-consumo, dalla risposta in frequenza rispetto alla perdita di efficienza, dall'energia di raffreddamento, dall'usura accelerata delle batterie e dal rischio maggiore di spegnimenti non pianificati. I moderni sistemi di gestione dell'energia (EMS) si stanno sviluppando per gestire questa complessità-I sistemi EMS monitorano le temperature di moduli e celle, le previsioni meteorologiche, i prezzi di mercato e i segnali di rete e generano strategie operative appropriate. Ad esempio, congelare la batteria di notte, controllare la velocità di ricarica durante il caldo o addirittura limitare deliberatamente la produzione di elettricità può essere giustificato anche dal punto di vista economico.
Conclusione: progettare la resilienza per un futuro più caldo
Il caldo intenso è ormai un fenomeno comune piuttosto che un’eccezione; sta diventando un test regolare per la tecnologia delle energie rinnovabili. Per superare con successo il test è necessario riconsiderare-l'approccio dell'intero sistema e non limitarsi semplicemente a selezionare moduli con coefficiente di temperatura migliorato o installare dispositivi di raffreddamento più grandi. Sono invece necessari una progettazione termica efficace, una modellazione-specifica del sito (che tenga conto del microclima e della ventilazione), una manutenzione adeguata (comprese le ispezioni a infrarossi e l'utilizzo dell'analisi dei dati in-tempo reale) e decisioni operative intelligenti da prendere bilanciando i vantaggi finanziari a breve{5}}termine e la salute a lungo-termine della risorsa.
Con l’accelerazione della transizione energetica e lo sviluppo di una maggiore capacità solare e di stoccaggio in aree calde, secche e tropicali, la capacità di comprendere e gestire lo stress termico sarà essenziale per tutti gli sviluppatori, operatori e investitori. Per far fronte al calore, dobbiamo trattarlo non come un ripensamento ma come un parametro di progettazione fondamentale fin dall’inizio del progetto.
